Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA STROJNÍ KATEDRA KONSTRUOVÁNÍ STROJŮ
DISERTAČNÍ PRÁCE
2012
Ing. Petr Kleisner
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA STROJNÍ KATEDRA KONSTRUOVÁNÍ STROJŮ
Disertační práce k získání akademického titulu doktor Doktorský studijní program: P2301 Strojní inženýrství Studijní obor: 2302V019 Stavba strojů a zařízení
Ing. PETR KLEISNER
KOMPLEXNÍ HODNOCENÍ ENERGETICKÉ NÁROČNOSTI KOMPONENT PRO DOPRAVNÍ A MANIPULAČNÍ TECHNIKU
Školitel: Doc. Ing. Josef Formánek, PhD.
Plzeň Srpen 2012
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
PROHLÁŠENÍ Předkládám tímto k posouzení disertační práci, jejíž téma je „Energetické hodnocení provozu dopravních prostředků“.Tato práce je koncipována dle požadavků Studijního a zkušebního řádu Západočeské univerzity v Plzni, tj. obsahuje zejména shrnutí a zhodnocení poznatků ve studované oblasti a seznam souvisejících publikací. Současně je přiložen seznam mých dalších aktivit a činností souvisejících s mým dosavadním prezenčním studiem na Západočeské univerzitě v Plzni. Prohlašuji, že jsem tuto písemnou práci vypracoval samostatně, s použitím odborné literatury a pramenů uvedených v seznamu, který je součástí této práce.
V Plzni dne: ……………........…..
Podpis ………………......……….
UPOZORNĚNÍ Podle zákona o právu autorském č. 35/1965 Sb. (175/1996 Sb. ČR), § 17, zákona o vysokých školách č. 111/1998 Sb. je využití a společenské uplatnění výsledků práce, včetně uváděných vědecký a výrobně - technických poznatků nebo jakékoliv nakládání s nimi možné pouze na základě autorské smlouvy se souhlasem autora, autorů citovaných prací a Fakulty strojní Západočeské univerzity v Plzni.
Disertační práce
Ing. Petr Kleisner
PODĚKOVÁNÍ Rád bych na tomto místě poděkoval všem, kteří mě doposud v mém úsilí podporovali, zejména pak svému školiteli, Doc. Ing. Josefu Formánkovi, Ph.D., za všestrannou podporu, Ing. Janu Kutlwašerovi za spolupráci na projektu elektromobilu EHR 10 a svým konzultantům za odborné příspěvky a rady. V neposlední řadě bych rád poděkoval rodičům, Jindřišce a přátelům za velkou trpělivost a podporu v mém úsilí.
Bibliografická citace Kleisner P., Komplexní hodnocení energetické náročnosti komponent pro dopravní a manipulační techniku, Plzeň 2012, Disertační práce na ZČU v Plzni - Fakulta strojní, katedra konstruování strojů. Vedoucí disertační práce Doc. Ing. Josef Formánek, Ph.D.
Disertační práce
Ing. Petr Kleisner
Anotace Tématem předkládané disertační práce je "Komplexní hodnocení energetické náročnosti komponent pro dopravní a manipulační techniku. Předkládaná disertační práce respektuje směr vývoje, kterým se v současné době ubírá celý automobilový průmysl - tedy do oblasti vozidel s nízkou energetickou náročností provozu. Předkládaná práce se nezabývá řešenou problematikou jen v teoretické rovině, ale je kladen velký důraz na aplikační část řešení problematiky součástí disertační práce je analýza elektromobilu EHR 10, který byl vyvinut ve spolupráci ZČU v Plzni s plzeňskou firmou Auto Projekt Centrum s.r.o. Rozvinutím projekční a konstrukční filosofie, dle které byl vytvořen elektromobil EHR 10 je duální hybridní pohon E/E, který využívá kombinace spalovací jednotky s prodlouženou délkou expanze a elektromotorů. Předkládaná disertační práce tedy rozšiřuje analytickou a vědomostní základnu pro projektování a konstruování vozidel s nízkou energetickou náročností provozu vozidla.
Klíčová slova Duální hybridní pohon, E/E, Energetická náročnost provozu, EHR 10
Disertační práce
Ing. Petr Kleisner
Annotation Le sujet de thèse de doctorat soumis est "Une évaluation complète de l'intensité énergétiquedes composants pour la technologie de transport et manipulation. La thèse de doctorat présenté respecte le sens du développement, vers qui est actuellement dirrigé industrie automobile – ainsi dans la domaine des véhicules avec l'intensitéénergétique de l´opération basse. La thèse de doctorat soumis n'aborde pas la question résolu seulement en théorie, mais l'accent est mis sur l'application de la résolution desproblèmes - la partie de la thèse doctorat est une analyse de voiture éléctrique EHR 10, quia été développé en collaboration de l'Université de Bohême de l'Ouest avec l´enterprise de Pilsen - Auto Projekt Centrum s.r.o. Développer la philosophie de projection et de construction, selon laquel la voiture éléctrique EHR 10 a été créé, est un double hybride drive E/E, qui utilise une combinaison d'unités de combustion avec longueur étendue de l'expansion des moteurs électriques. La thèse de doctorat présenté étend donc élargi base analytique et base des connaissance pour la conception et construction des véhicules avec l'intensité énergétique de l´opération basse.
Mots-clés Double hybride drive, E/E, l'intensité de l'énergie de l´opération, EHR 10
Disertační práce
Ing. Petr Kleisner
Annotation The doctoral thesis subjekt is „Complex evaluation of energy consumption components for transportation and handling technology“. Submitted doctoral thesis respects the trends which are currently proceeding in automotive industry – in vehicles with low energy consumption operation. The doctoral thesis does not adress the issue only in theory, but the emphasis is placed on the application part of probleme solving – the doctoral thesis part is an analysis of electric vehicle EHR 10, which was developped in collaboration of University of West Bohemia Pilsen with Auto Projekt Centrum s.r.o. Developping design and construction philosophy, according to which the electric vehicle EHR 10 was created, is dual hybrid drive E/E exploiting combination of combustion unit with extended length engine expansion. Submitted doctoral thesis thus expands the analytical and knowledge base for design and construction vehicles with low energy consumption operation.
Keywords Dual hybrid drive, E/E, energy consumption of operation, EHR 10
Disertační práce
Ing. Petr Kleisner
Obsah Anotace .............................................................................................................................. V Annotation ........................................................................................................................ VI Annotation ....................................................................................................................... VII A. Seznam obrázků............................................................................................................ XII B. Seznam tabulek ........................................................................................................... XIV C. Seznam grafů ............................................................................................................... XVI D. Použité zkratky ............................................................................................................ XIX E. Použité veličiny ............................................................................................................ XXI 1.Úvod.................................................................................................................................1 1.2. Cíle disertační práce ........................................................................................................... 3 1.3. Podněty ke vzniku disertační práce ................................................................................... 3 2. Analýza vozidla Peugeot 106 1.0 .......................................................................................6 2.1. Parametry vozidla Peugeot 106 1.0 ................................................................................... 7 2.2. Výsledky výpočtu vnějších charakteristik vozidla ........................................................... 10 2.2.1. Pilový diagram ........................................................................................................... 10 2.2.2. Určení maximální stoupavosti vozidla ...................................................................... 12 2.2.3. Určení zrychlení vozidla a pružnosti pohonné jednotky vozidla ............................... 13 2.2.4. Teoretický výpočet spotřeby vozidla Peugeot 106 1.0 dle metodiky NEDC ............. 14 2.3 Praktická část analýzy vozidla Peugeot 106 1.0 ................................................................ 14 2.4. Souhrn analýzy vozidla Peugeot 106 1.0.......................................................................... 16 3. Informace o vozidle Peugeot 106 electric ........................................................................ 18 3.1. Srovnání vozidel Peugeot 106 v benzínové a elektrické verzi.......................................... 20 4. Elektromobil EHR 10 ....................................................................................................... 22 4.1. Obecné informace ............................................................................................................ 22 4.1.1. Typový list elektromobilu EHR 10 ............................................................................. 23 4.2. Technická specifikace elektromobilu EHR 10................................................................... 25 4.2.1. Baterie ....................................................................................................................... 25 4.2.2. Měnič......................................................................................................................... 25 4.2.3. Elektromotor ............................................................................................................. 26 4.2.4 Převodovka a rozvodovka .......................................................................................... 27 4.3 Vypočtené vnější charakteristiky elektromobilu EHR 10 .................................................. 28 4.3.1 Pilový diagram ............................................................................................................ 28
Disertační práce
Ing. Petr Kleisner
4.3.2 Určení maximální stoupavosti elektromobilu EHR 10................................................ 29 4.3.3 Určení zrychlení a pružnosti pohonné jednotky elektromobilu EHR 10 .................... 30 4.3.4 Teoretický výpočet spotřeby elektromobilu EHR 10 dle metodiky NEDC.................. 31 4.4. Energetická náročnost provozu elektromobilu EHR 10 ................................................... 32 4.4.1. Provoz slaboproudého okruhu ................................................................................. 32 4.4.2. Provoz silnoproudého okruhu................................................................................... 33 4.5. Rekuperace a její vliv na provoz elektromobilu EHR 10................................................... 35 4.6. Srovnávací test elektromobilů Opel Corsa Elektra a EHR10 ............................................ 37 4.7. Souhrn analýzy elektromobilu EHR 10 ............................................................................. 39 5. Sběr informací a řidičských dat pro systémový vývoj pohonu E/E .................................... 40 5.1. Škoda Octavia II 2.0 TDI PD 103 kW ................................................................................. 40 5.1.1. Statistické hodnocení provozu - rok 2010................................................................. 40 5.1.2. Statistické hodnocení provozu - rok 2011 ................................................................ 42 5.1.3. Shrnutí sběru informací z provozu vozidla Škoda Octavia II 2.0 TDI – PD – 103 kW 43 5.2. Dacia Sandero 1.4 MPi ..................................................................................................... 44 5.2.1. Statistické hodnocení provozu - rok 2011 ................................................................ 44 5.2.2. Shrnutí sběru informací provozu vozidla Dacia Sandero 1.4 MPi ............................ 45 5.3. Škoda Superb II 2.0 TDI CMR 125 kW .............................................................................. 47 5.3.1. Statistické hodnocení provozu - rok 2010 ................................................................ 47 5.3.2. Shrnutí sběru informací z provozu vozidla Škoda Superb II 2.0 125 kW .................. 48 5.4. Peugeot 207 SW 1.4 ......................................................................................................... 49 5.4.1. Statistické hodnocení provozu - rok 2011 ................................................................ 49 5.4.2. Shrnutí sběru informací z provozu vozidla Peugeot 207SW 1.4 ............................... 50 5.5. Shrnutí získané sběrem informací a jízdních dat ............................................................. 51 6. Základní návrh vozidla pro denní použití ........................................................................ 53 7. Základní specifikace hybridního pohonu E/E .................................................................. 54 7.1. Popis jednotlivých možných funkčních kombinací pohonu E/E ....................................... 54 7.1.1. Spalovací motor kombinace 4x2 .............................................................................. 54 7.1.2. Sériový hybridní pohon kombinace 4x2 .................................................................... 55 7.1.3. Elektromobil kombinace 4x2..................................................................................... 55 7.1.4. Paralelní hybrid kombinace 4x4 ................................................................................ 55 8. Komponenty duálního hybridního pohonu E/E ................................................................ 56 8.1. Spalovací motor s prodlouženou expanzí ........................................................................ 56 8.2. Elektrický motor ............................................................................................................... 64
Disertační práce
Ing. Petr Kleisner
8.3. Převodovka....................................................................................................................... 66 8.3.1. Konstrukční schéma převodovky .............................................................................. 66 8.3.2. Konstrukční schéma řadícího mechanismu převodovky .......................................... 68 8.4. Spojka ............................................................................................................................... 69 8.4.1. Konstrukce spojky ..................................................................................................... 69 8.4.2. Systém Clutch drive ................................................................................................... 71 8.5. Diferenciály ..................................................................................................................... 72 8.5.1. Diferenciál přední nápravy ........................................................................................ 72 8.5.2. Diferenciál zadní nápravy .......................................................................................... 72 8.5.3. Mezinápravový diferenciál ........................................................................................ 74 8.6. Systém tepelné pohody kabiny posádky.......................................................................... 75 8.6.1. Fotovoltaický článek .................................................................................................. 76 8.6.2. Pasivní ventilační systém vozidla .............................................................................. 76 8.6.3. Určení tepelné pohody cestujících ............................................................................ 80 8.6.4. Distribuce a cirkulace vzduchu ovlivněná pasivním systémem tepelné pohody ...... 83 8.6.5. Energetické hodnocení systému tepelné pohody v pohonu E/E .............................. 86 8.6.6. Zhodnocení systému tepelné pohody kabiny posádky ............................................. 86 8.7. Generátor pro mód sériového hybridu ............................................................................ 87 9. Vnější charakteristiky vozidla osazeného pohonem E/E ................................................... 89 9.1 Výpočtové parametry vozidla vybaveného duálním hybridním pohonem E/E ................ 90 Výpočet hmotnosti .............................................................................................................. 90 9.2. Vypočtené parametry vozidla osazeného duálním hybridním systémem E/E ................ 92 9.2.1. Mód - spalovací motor .............................................................................................. 92 9.2.2. Mód elektromobil ..................................................................................................... 96 9.2.3. Mód paralelní hybrid 4x4 ........................................................................................ 100 9.2.4. Mód sériový hybrid ................................................................................................. 104 10. Výpočet spotřeby vozidla ........................................................................................... 105 10.1. Výpočet spotřeby vozidla v módu spalovacího motoru............................................... 106 10.2. Spotřeba energie v módu čistého elektromobilu ........................................................ 107 10.3. Výpočet spotřeby paliva pro mód sériového hybridu ................................................. 109 10.4. Výpočet spotřeby paliva pro mód paralelního hybridu .............................................. 110 11. Dimenzování palubní trakční baterie........................................................................... 111 12. Slaboproudá instalace vozidla..................................................................................... 115 12.1 Energetická náročnost provozu slaboproudé elektroinstalace vozidla ........................ 116
Disertační práce
Ing. Petr Kleisner
13. Předpokládané rozmístění komponent duálního hybridního systému E/E na palubě vozidla ............................................................................................................................. 117 14. Shrnutí systémového návrhu vozidla osazeného duálním hybridním pohonem E/E ...... 120 15. Závěr disertační práce ................................................................................................ 123 I. Seznam literatury .......................................................................................................... 129 II. Internetové zdroje ....................................................................................................... 131 III. Přehled vědecké činnosti autora dle OBD..................................................................... 132
Disertační práce
Ing. Petr Kleisner
A. Seznam obrázků obr. 2-1 Peugeot 106 1.0 verze VF31ACDYE obr. 3-1 rozložení elektrovýzbroje ve vozidle Citroen Saxo/ Peugeot 106 obr. 3-2 pohonná jednotka se stálým převodem od firmy Leroy Sommer obr. 4-1 elektromobil EHR 10 obr. 4-2 vybíjecí charakteristika článku 3.2V 200 Ah při teplotě 25oC obr. 4-3 převodové ústrojí elektromobilu EHR 10 obr. 4-4 testovací okruh městského provozu elektromobilu EHR 10 obr. 8-1 Atkinsonův cyklus obr.8-2 řez Audreaovým motorem obr. 8-3 3D vizualizace klikového mechanismu obr. 8-4 vnější otáčkové charakteristiky elektromotoru z produkce firmy Greenmotorsport obr. 8-5 složení hřídelí převodovky obr. 8-6 řadící mechanismus převodovky obr. 8-7 jednolamelová spojka s talířovou přítlačnou pružinou obr. 8-8 schéma robotizované převodovky DSG obr. 8-9 diferenciál přední nápravy obr. 8-10 schéma elektronického diferenciálu obr. 8-11 experimentální elektrická motokára EleQuad obr. 8-12 sklo siglasol obr. 8-13 ventilátor NP-P14-FLX obr. 8-14 schematické rozložení ventilace a vytápění sedáku sedadla obr. 8-15 rozdělení lidského těla na zóny dle vnímání pocitu tepla
Disertační práce
Ing. Petr Kleisner
obr. 8 - 16 porovnání výsledků simulace teploty automobilu - případ A horní část obr, případ F dolní část obr obr. 9-1 základní systémový model vozidla osazeného pohonem E/E obr. 9-2 materiálové složení skeletu karoserie Škoda Fabia II obr. 11-1 rozměrový náčrt článku s parametry 3,2V 200Ah od firmy Thunder Sky obr. 11-2 vybíjecí charakteristika článku s parametry 3,2V 200Ah od firmy Thunder Sky obr. 11-3 ilustrativní příklad zapojení monitorovacího systému palubní trakční baterie obr.12-1 zadní sdružená LED svítilna obr.12-2 přední sdružený xenonový světlomet s integrovaný denním LED světlometem obr.13-1 rentgenový snímek řešeného vozidla obr.13-2 spodní pohled na rozložení komponent obr.13-3 rozložení komponent v motorovém prostoru obr.13-4 rozložení komponent v zadní části vozidla
Disertační práce
Ing. Petr Kleisner
B. Seznam tabulek tabulka 2-I rozhodovací tabulka řazení vozidla Peugeot 106 1.0 tabulka 2-II určení maximálních stoupavostí vozidla Peugeot 106 1.0 pro jednotlivé rychlostní stupně tabulka 2-III maximální dosažená zrychlení vozidla Peugeot 106 1.0 na jednotlivé rychlostní stupně tabulka 2-IV zobrazení tankování, spotřeby a nákladů na kilometr jízdy v palivu vozidla Peugeot 106 1.0 tabulka 4-I určení maximální stoupavosti elektromobilu EHR 10 pro jednotlivé rychlostní stupně tabulka 4-II maximální dosažená zrychlení elektromobilu EHR 10 tabulka 4-III parametrický zápis testovacího okruhu městského provozu elektromobilu EHR 10 tabulka 4-IV srovnání parametrů EHR10 a Opel Corsa Elektra tabulka 5-I statistika provozu Škoda Octavia II rok 2010 tabulka 5-II statistika provozu Škoda Octavia II rok 2011 tabulka 5-III statistika provozu Dacia Sandero rok 2011 tabulka 5-IV statistika provozu Škoda Superb II rok 2010 tabulka 5- V statistika provozu Peugeot 207 rok 2011 tabulka 8-I parametrizace zdvihů Audreaova motoru tabulka 8-II převodové poměry převodovky pohonu E/E tabulka 9-I maximální stoupavost vozidla na jednotlivé rychlostní stupně v módu spalovacího motoru tabulka 9-II maximální zrychlení vozidla na jednotlivé rychlosti stupně v módu spalovacího motoru tabulka 9-III maximální stoupavost vozidla na jednotlivé rychlostní stupně v módu elektromobilu tabulka 9-IV maximální zrychlení vozidla na jednotlivé rychlostní stupně v módu elektromobilu
Disertační práce
Ing. Petr Kleisner
tabulka 9-V maximální stoupavost vozidla na jednotlivé rychlostní stupně v módu paralelního hybridu tabulka9-VI maximální zrychlení vozidla na jednotlivé rychlostní stupně v módu paralelního hybridu
Disertační práce
Ing. Petr Kleisner
C. Seznam grafů graf 2-A naměřené hodnoty výkonu a točivého momentu vozidla Peugeot 106 1.0 graf 2-B aproximované hodnoty výkonu a točivého momentu vozidla Peugeot 106 1.0 pro analytický výpočet vnějších charakteristik vozidla graf 2-C pilový diagram vozidla Peugeot 106 1.0 graf 2-D zobrazení měrné hnací síly jednotlivých rychlostních stupňů vozidla Peugeot 106 1.0 graf 2-E graf charakteristiky zrychlení vozidla Peugeot 106 1.0 graf 4-A parametry stejnosměrného motoru graf 4-B pilový diagram elektromobilu EHR 10 graf 4-C zobrazení měrné hnací síly jednotlivých rychlostních stupňů elektromobilu EHR 10 graf 4-D charakteristika zrychlení elektromobilu EHR 10 graf 4-E výškový profil testovacího okruhu městského provozu elektromobilu EHR 10 graf 5-A Škoda Octavia II měsíční rozdělení nájezdu - rok 2010 graf 5-B Škoda Octavia II měsíční rozdělení průměrné spotřeby - rok 2010 graf 5-C Škoda Octavia II měsíční rozdělení nájezdu - rok 2011 graf 5-D Škoda Octavia II měsíční rozdělení průměrné spotřeby - rok 2011 graf 5-E Dacia Sandero měsíční rozdělení nájezdu - rok 2011 graf 5-F Dacia Sandero měsíční rozdělení průměrné spotřeby - rok 2011 graf 5-G Škoda Superb II měsíční rozdělení nájezdu - rok 2010 graf 5-H Škoda Superb II měsíční rozdělení průměrné spotřeby - rok 2010
Disertační práce
Ing. Petr Kleisner
graf 5-I Peugeot 207 měsíční rozdělení nájezdu - rok 2011 graf 5-J Peugeot 207 měsíční rozdělení průměrné spotřeby - rok 2011 graf 8-A teoretické průběhy výkonu a točivého momentu řešeného spalovacího motoru graf 8-B vypočtená vnější otáčková charakteristika řešeného spalovacího motoru graf graf 8-C srovnání teoretické a vypočtené vnější otáčkové charakteristiky řešeného spalovacího motoru graf 8-D vnější otáčkové charakteristiky instalované elektrické pohonné jednotky pohonu E/E graf 8-E hodnocení tepelné pohody vnímání lidským tělem graf 8-F vyhodnocení počtu nespokojených osob s tepelnou pohodou graf 8-G srovnání vnitřní teploty vozidla bez úprav a z úpravami pro získání tepelné pohody ve vozidle graf 8-H srovnání vnější teploty vozidla bez úprav a s úpravami pro získání tepelné pohody ve vozidle graf 9-A vnější otáčková charakteristika spalovací jednotky pohonu E/E graf 9 -B pilový diagram módu spalovacího motoru pohonu E/E graf 9-C grafické určení maximální rychlosti módu spalovacího motoru pohonu E/E graf 9-D průběhy měrné hnací síly módu spalovacího motoru E/E graf 9-E průběhy zrychlení módu spalovacího motoru pohonu E/E graf 9-H vnější otáčková charakteristika elektrické jednotky pohonu E/E graf 9-I pilový diagram módu elektromobilu pohonu E/E graf 9-J grafické určení maximální rychlosti módu elektromobilu E/E
Disertační práce
Ing. Petr Kleisner
graf 9 - K průběhy měrné hnací síly módu elektromobilu pohonu E/E graf 9-L průběhy zrychlení módu elektromobilu pohonu E/E graf 9-M vnější otáčková charakteristika paralelní kombinace pohonu E/E graf 9-N pilový diagram paralelní kombinace pohonu E/E graf 9 -O grafické určení maximální rychlosti paralelní kombinace pohonu E/E graf 9 - P průběhy měrné hnací síly paralelní kombinace pohonu E/E graf 9 -Q průběhy zrychlení paralelní kombinace pohonu E/E
Disertační práce
Ing. Petr Kleisner
D. Použité zkratky BMS RT – Battery monitoring system real time – on-line diagnostika baterie ECE - městská část cyklu NEDC EUDC - mimoměstská část cyklu NEDC E
/E - Electric/Engine – hybridní pohon vyvinutý na ZČU
EHK/OSN – normy dle kterých jsou prováděny homologace ECE EHR10 - Electric Hot Rod verze 1.0 EHS – Evropské hospodářské společenství ES – Evropské společenství EU – Evropská Unie GM – General Motors – Americký koncern vyrábějící automobily GPS – Global Positioning System – družicový poziční systém H4 – typ žárovky pro hlavní světlomet automobilu, obsahuje vlákno pro potkávací i dálková světla Homologace ECE – homologace pro pozemní komunikace – výrobek, který prošel homologací ece je označen Ex (x – číslo) Homologace FIA – homologace pro sportovní použití, v případě homologace většího systému pro pozemní komunikace lze udělit výjimky IPxx – stupeň krytí elektrospotřebiče LED – elektroluminiscenční dioda LiAir – Lithium Kyslík – technologie elektrických článků LiFeYPO4 – Lithium Železo Ytrium Polymer 4 – technologie elektrických článků MOSFET - Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor – typ výkonových tranzistorů
Disertační práce
Ing. Petr Kleisner
NEDC - New European Driving Cycle – metodika měření spotřeby a množství exhalací, která je platná v EU PWM – Puls Weight Modulation – pulzně šířková modulace sp - stálý převod
Disertační práce
E. Použité veličiny a [m/s2] – zrychlení, metr za sekundu na druhou Cx [-] – součinitel aerodynamického odporu c
∙
- měrná tepelná kapacita, joule na kilogram kelvin
cosφ[-] – účiník e[-] – pružnost motoru E [J] – energie, joule F [N] – síla, newton Fk [N] – hnací síla, newton Fh [N] – sumace jízdních odporů, newton f [Hz] – frekvence, hertz ƒ [-] – součinitel valivého odporu G [N] – tíhová síla, newton I [A] – proud, ampér i [-] – převodový poměr M [N.m] – kroutící moment, newton metr m [kg] – hmotnost, kilogram [kg] - hmotnostní průtok, kilogram za sekundu n [1/s] – otáčky, počet za sekundu η [-] – účinnost Ov [N] – aerodynamická odporová síla, newton
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Of [N] – valivý odpor, newton Os [N] – odpor sklonu, newton p [N/N] – měrná hnací síla, newton/newton P [W] – výkon, watt Pk [W] – výkon na hnacích kolech, watt Psm [W] – požadovaný výkon motoru, watt Psp [W/s] – spotřebovaný výkon, watt za sekundu [W] - měrné teplo, watt s [%] – stoupavost vozidla, procenta S [m2] – plocha, metr čtvereční t [s] – čas, sekunda T [K,oC] - teplota, Kelvin, celsiův stupeň U [V] – napětí, volt v [m/s] – rychlost, metr za sekundu V [m3] - objem, metr krychlový W [J] – práce, joule ε[-] - kompresní poměr
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Ing. Petr Kleisner
1.Úvod Vytvoření ekonomicky dostupného a energeticky provozně nenáročného vozidla je v současné době základním cílem projektování a konstruování dopravních prostředků určených pro individuální přepravu osob. Tento cíl je sám o sobě řešen a rozvíjen již od počátků sestrojení „pradědečka automobilu“, kdy vzniklo několik konstrukčních filosofií pro vytvoření automobilu - šlo o dobově nazývané výbušné motory, parní stroje a elektromobily. Vzhledem k vývoji se na dlouhá léta staly spalovací motory pilířem individuální přepravy osob. Elektromobily byly využívány ke specifickým úkolům v individuální přepravě osob a s pravidelnou periodou byla na odborných konferencích přednášena myšlenka rozvíjející myšlenku elektromobilu jako automobilu budoucnosti, parní stroj pro svoji komplikovanost a údržbovou náročnost byl postupem času z boje o místo na výsluní vytlačen. V současné době, kdy technologický rozvoj již umožňuje přibližovat dojezd elektromobilů na jedno nabití palubní trakční baterie dojezdu automobilům se spalovacím motorem na jednu nádrž paliva, stává se elektromobilita znovu aktuálním tématem diskusí odborné i laické veřejnosti. Současná technologie trakčních článků již umožňuje jejich praktické využití v běžném denním provozu. Problémem však stále zůstává přenosová kapacita přenosové soustavy a produkční výkon elektráren. V případě masivního rozšíření elektromobilů není v současné době možno tato vozidla zásobovat energií potřebnou pro dobití jejich trakčních palubních trakčních baterií bez kolapsu elektráren a přenosových sítí - Blackoutu . Vzhledem k výše uvedenému důvodu, který ohrožuje rozvoj elektromobily a také k nezanedbatelné ceně trakčních baterií se na výsluní zájmu automobilového průmyslu dostává kombinace pohonu elektrického a spalovacího motoru - tedy pohon hybridní. V dnešní době jsou v nabídkách automobilových společností sériové hybridní pohony (velmi často jsou používány v autobusech, u osobních vozidel např. Toyota Prius) a paralelní hybridní pohony - kombinace sériového a paralelního hybridu je pak velmi často označována jako smíšený hybrid resp. duální hybrid.
Disertační práce
Ing. Petr Kleisner
Kromě vozidel s plně hybridním pohonem je v dnešní době běžné osazovat vozidla systémy jejichž úkolem je snížit spotřebu vozidla. Tyto systémy pracují zpravidla na dvou základních principech. Prvním principem je vypínání motoru při krátkodobém zastavení vozidla - zde mluvíme o tzv. start/stop systému. Druhým principem je rekuperační systém kinetické energie, který ukládá kinetickou energii při brzdění vozidla do mechanického nebo elektrického úložiště. Takto uložená kinetická energie vozidla je následně využita při další akceleraci vozidla. Výše uvedené směřování automobilového průmyslu tak přináší jednoznačné požadavky na vytvoření nové generace automobilů, která bude respektovat všechna základní požadovaná kritéria: •
design for cost - automobil musí být relativně co nejlevnější, aby byl schopen uspět - zde vstupuje do popředí zájmů "baťovské" tvrzení: "výrobek musí být tak špatný, aby byl ještě dobrý"
•
vozidlo musí mít nízké provozní náklady - zde nejde jen o přímé náklady na provoz vozidla, ale také náklady vyvolané servisními zásahy, v neposlední řadě pojištění, mýta atd.
•
vozidlo musí být ekologické nikoli jen "ekologické" - vozidlo musí splňovat veškeré legislativní požadavky a samozřejmě musí být vozidlo i šetrné k přírodě - je však nutné si uvědomit, že vozidlo musí být k přírodě skutečně šetrné a nejen šetrné tak, aby vyhovovalo "ekologickým požadavkům", jejichž cílem jsou mnohdy jiné zájmy než ochrana životního prostředí 123
•
vozidlo musí být bezpečné v maximální dosažitelné míře recyklovatelné
1
Novinky.cz,pst, Pád ekologické modly: větrné elektrárny vyvolávají změnu klimatu,www.novinky.cz, 3.5.2012, http://www.novinky.cz/veda-skoly/266629-pad-ekologicke-modly-vetrne-elektrarnyvyvolavaji-zmenu-klimatu.html 3.5.2012 2
Dohnal R.,Tmavé střechy vytvářejí tepelné ostrovy, www.ekobydleni.eu, 13.3.2012, http://www.ekobydleni.eu/domy/tmave-strechy-vytvareji-tepelne-ostrovy
3
"V Evropě, kde se biopaliva získávají pomocí těžké mechanizace, se stává, že na 1,0 litru bionafty je nutné spotřebovat až 1,1 l běžné nafty." - Cílek V., Kašík M., Nejistý plamen, Dokořán, Praha 2007, str.29
Disertační práce
•
Ing. Petr Kleisner
vozidlo musí být vyráběno z recyklovatelných materiálů v maximální možné míře4
•
vozidlo musí být provozně co nejméně energeticky náročné
pozn. Žádnou z výše uvedených základních kritérií nového vozidla nelze vyhodnotit jako nejdůležitější. Všechny požadované základní kritéria nové generace vozidel je nutno brát jako rovnocenné.
1.2. Cíle disertační práce Na základně výše specifikovaných základních kritérií pro vznik nového vozidla a na základě poznatků získaných studiem vývoje konstrukčních směrů, které se zabývají vývojem vozidel s nízkou energetickou náročností provozu byly stanoveny následující základní cíle řešené disertační práce: 1. Realizovat sběr dat a analýzu provozu konvenčního vozidla se spalovacím motorem. 2. Provést sběr dat a analýzu provozu na elektromobilu EHR 10. 3. Získat dostatečné informace o provozu běžných osobních vozidel. 4. Na základě získaných dat vytvořit systémový návrh vozidla pro denní použití s důrazem na jeho příznivý vztah k životnímu prostředí a nízkou spotřebu energie potřebné k pohonu vozidla a udržení uživatelského komfortu.
1.3. Podněty ke vzniku disertační práce Vytvoření této disertační práce je logickým vyústěním mého celoživotního koníčka - stavby a renovace motocyklů a automobilů, který jsem ještě rozšířil o znalostní základnu nabytou studiem Fakulty elektrotechnické a Fakulty strojní na Západočeské univerzitě v Plzni.
4
Bez vraků o.s., Udržitelný rozvoj, www.bez vraků.cz, r.2009, http://www.bezvraku.cz/index.php?str=udrzitelnyRozvoj&menu=infoObcan&s=1
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
•
aplikace znalostí a zkušeností získaných celoživotním koníčkem a zájmem o problematiku projektování, konstrukce, montáže a provozu silničních dopravních prostředků Během mého působení v doktorandském studijním programu, při zpracovávání
rámcového disertačního tématu "Komplexní hodnocení energetické náročnosti komponent pro dopravní a manipulační techniku" mi bylo umožněno být systémovým projektatem a členem realizačního týmu elektromobilu EHR 10. Zkušenosti získané při návrhu, stavbě a provozu tohoto elektromobilu rozhodly o dalším směřováním mé disertační práce směrem k hybridnímu pohonu E/E, kde jsem si vytyčil cíl nejen využít všechny kladné vlastnosti elektromobilu EHR 10, ale vhodným způsobem řešení eliminovat i jeho nedostatky. •
aplikace praktických znalostí a zkušeností získaných při stavbě a provozu elektromobilu EHR 10 Samotný hybridní pohon E/E jsem se rozhodl pro účely disertační práce
implementovat do vozidla s identickými tvary vozidla Škoda Fabia I. generace z následujících
důvodů:
1. Jde o velmi rozšířené a veřejnosti známé vozidlo. 2. Vozidlo je v českých očích velmi často etalonem malého vozidla pro denní použití. 3. Existuje dostatek výpočtových parametrů vyplývajících z tvarů vozidla (např. součinitel cx). 4. Získané výsledky je možno srovnávat s mnoha variantami vozidla - výhodné pro další vývoj pohonu. Koncepci hybridního pohonu E/E jsem se rozhodl směřovat k potřebám, které vyplývají ze zkušeností mých blízkých
a vlastních zkušeností s řízení motorových
vozidel. Hybridní pohon E/E je tedy koncipován jako modulární pohon, který umožňuje pohon spalovacím motorem, pohon v režimu elektromobilu, sériový mód funkce a v neposlední řadě, po omezenou dobu, je schopen funkce v módu 4x4, což je zvlášť výhodné při provozu mimo zpevněné komunikace (výlety za aktivně tráveným časem v
Disertační práce
Ing. Petr Kleisner
přírodě, chalupaření atd.) a při náhlých výkyvech počasí (sněhová kalamita atd.). Zároveň tento provozní mód umožňuje zvýšení dynamiky vozidla, která je v dnešním silničním provozu mnohdy v zájmu bezpečnosti nezbytná. •
vytvoření hybridního pohonu bez zbytečných kompromisů
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
2. Analýza vozidla Peugeot 106 1.0 Pro
připravení a verifikaci analytického výpočtového modelu spotřeby z
vnějších charakteristik vozidel a pro získání dat týkajících se energetické náročnosti provozu motorového vozidla se spalovacím motorem bylo vybráno vozidlo Peugeot 106 s motorem 1.0. Jde o vozidlo, které je v sériovém stavu, je vybaveno pětidveřovou karosérií a v době měření mělo najeto 120 - 150 tis. kilometrů. Testované vozidlo je modelový rok 1998, konkrétně verze VF31ACDYE.
obr. 2-1 Peugeot 106 1.0 verze VF31ACDYE
5
Toto vozidlo bylo zvoleno s ohledem na ideové směřování práce na městské a příměstské vozidlo, které je využíváno ke každodenním cestám do práce, za nákupy a za zábavou.
Výhodou této volby byla možnost porovnání i s produkčním
elektromobilem (viz kapitola 3.), který byl na základě vozidla Peugeot 106 vyráběn. Na vozidle Peugeot 106 se spalovacím motorem byla provedena výpočetní analýza vnějších parametrů a spotřeby vozidla. Následně byla provedena měření týkající se spotřeby, průměrné rychlosti, udržitelné cestovní rychlosti a celkového chování vozidla v různých režimech dnešního silničního provozu - výsledky těchto měření jsou uvedeny v kapitole 2.3. Praktická část analýzy vozidla Peugeot 106 1.0.
5
http://www.imcdb.org
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Během těchto měření byl kladen důraz nejen na chování vozu při běžném silničním provozu, ale zároveň byl simulován i jízdní cyklus, který svými dynamickými parametry odpovídá dynamickým požadavkům jízdy, které jsou definovány v cyklu NEDC - viz. Příloha 1. Dalším simulovaným jízdním způsobem byl jízdní cyklus, který si kladl za úkol dosáhnout minimální spotřeby pohonných hmot.
2.1. Parametry vozidla Peugeot 106 1.0 Během analytického výpočtu vnějších charakteristik vozidla Peugeot 106 1.0 bylo vycházeno z následujících technických dat, které byly převzaty z technického průkazu řešeného vozidla, z informací poskytnutých plzeňským zastoupením firmy Peugeot - firmou IC-WEST s.r.o. a z naměřených otáčkových charakteristik řešeného vozidla, které jsou uvedeny v grafu 2-A naměřené hodnoty výkonu a točivého momentu vozidla Peugeot 106 1.0. Měření otáčkových charakteristik řešeného vozidla bylo realizováno firmou Camp Performance při následujících podmínkách okolního prostředí: teplota vzduchu 15oC, atmosférický tlak 101 195 Pa, vlhkost vzduchu 55% uvedené veličiny byly změřeny vstupními čidly zkušebního zařízení - automobilové brzdy. Vnější otáčkové charakteristiky vozidla uvedené v grafu 2-A byly měřeny na vozidle s teplotou chladící kapaliny cca 90 oC - vozidlo mělo před měřením ujeto cca 110 km na trase Plzeň - Praha Zbraslav při mimo dálničním tempu. Hodnoty naměřené při uvedeném měření byly do výpočtového modelu v SW MS Excel převedeny v podobě, která je uvedena v grafu 2-B aproximované hodnoty vnějších otáčkových charakteristik pro analytický výpočet vnějších charakteristik vozidla. Technická data analyzovaného vozidla6 Délka
3678 mm
Šířka
1594 mm
Výška
1383 mm
Rozvor
2380 mm
6
velký technický průkaz Peugeot 106 1.0 verze VF31ACDYE - datový list výrobce
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce 2
Čelní plocha
1,81 m
cx
0,34
Pohotovostní hmotnost 965 kg Zatížení
190 kg
Emisní standard
Euro 2
Produkce CO2
145 g/km
Maximální rychlost
150 km/h
Akcelerace 0-100 km/h
19,2 s
Obsah motoru
948ccm
Kompresní poměr motoru
9,4
Maximální výkon motoru
36kW@5876 ot/min
Maximální točivý moment motoru
7859Nm@3430 ot/min
Deklarovaná spotřeba Město
8,1 l/100km
Mimo město
5,1 l/100km
Kombinace
6,2 l/100km 145/70R13
Rozměr pneumatik
Parametry převodovky SP 3,93
I 3,42
II 1,95
III 1,36
IV 1,05
V 0,85
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Graf měření výkonu
graf 2-A naměřené hodnoty výkonu a točivého momentu vozidla Peugeot 106 1.0
80
30
60
20
40
Točivý moment [N.m] Výkon [kW]
6000
5000 5500
4000 4500
0 3000 3500
0 2500
10
1500 2000
20
Výkon
40
1000
Točivý moment
Průběh výkonu a točivého momentu 100
Otáčky [1/min] graf 2-B aproximované hodnoty vnějších otáčkových charakteristik pro analytický výpočet vnějších charakteristik vozidla
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
2.2. Výsledky výpočtu vnějších charakteristik vozidla 2.2.1. Pilový diagram
graf 2-C pilový diagram vozidla Peugeot 106 1.0
Na pilovém diagramu (graf 2-C) je uvedeno schéma řazení progresivně skládaných rychlostních stupňů při řazení vyššího rychlostního stupně ve fázi dosažení otáček motoru, které odpovídají maximálnímu výkonu motoru. Tento způsob řazení odpovídá ofenzivnímu způsobu jízdy, který je
používám zejména při maximálně
dynamické jízdě, kterou dané vozidlo umožňuje7. Dalším možným využití tohoto schématu řazení je pohyb vozidla maximálně členitým terénem. Při provozu vozidla v běžném silničním provozu je zpravidla používáno takové schéma řazení, při kterém je vyšší rychlostní stupeň řazen tak, aby po přeřazení bylo dosaženo otáček motoru, které se nachází v oblasti maximálního točivého momentu8. Tento způsob řazení je výhodný z hlediska ekonomiky provozu při standardním využívání dynamického potenciálu vozidla. Nejčastějším způsobem řazení je však řazení, které je možno nazvat ekonomickým - tedy vozidlo je udržováno v otáčkách, které se nachází v oblasti stoupání točivého momentu k maximu, řazení tedy probíhá při dosažení maximálního
7
Driving fast team, Guide to driving techniques, www.driwingfast.net
8
Janek D., Umění řídit, Computer Press Brno,r.2010, 4. vydání, ISBN 978-80-251-2754-4, s.46
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
točivého momentu na daný rychlostní stupeň9. Uvedená tři schémata řazení u analyzovaného vozidla jsou uvedeny v tabulce 2-I rozhodovací tabulka řazení vozidla Peugeot 106 1.0. rychlostní stupeň
I
II
III
IV
V
řazení z max. momentu
25 km/h
42,5 km/h
57,5 km/h
80km/h
-
řazení na max. moment
37,5 km/h
60 km/h
80 km/h
100 km/h
-
37,5 km/h 65 km/h 95 km/h 125 km/h řazení z max. výkonu (pozn. při podřazování je nutno řadit na uvedené rychlostní stupně inverzně)
-
tabulka 2-I rozhodovací tabulka řazení vozidla Peugeot 106 1.0
Jak je z grafu 2-C a tabulky 2-I patrno, pro vozidlo Peugeot 106 je typický "krátký" I. rychlostní stupeň, což odpovídá progresivně skládané převodovce. Toto řešení složení převodovky spolu s relativně těžkým stálým převodem u řešeného vozidla přináší skutečnost, kdy při jakémkoli dynamickém rozjezdu je nutno využit maximálního výkonu motoru vozidla, což se v městském provozu projevuje spotřebou, která je, vzhledem k velikosti a určení vozidla, značně vysoká (výrobce deklaruje 8,1 l/100km dle NEDC, v praxi je však mnohdy dosahováno i spotřeby, která atakuje i hranici 10 l/100km).
9
Horníček J., Jak jezdit s nižší spotřebou, Computer Press Praha, r. 2000, ISBN 80-7226-412-5
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
2.2.2. Určení maximální stoupavosti vozidla
Měrná hnací síla
0,4 0,35
Měrná hnací síla (N/N)
0,3 0,25
I. II. III. IV. V. f
0,2 0,15 0,1 0,05 0
-0,05
0
50
100 Rychlost (km/h)
150
200
graf 2-D Zobrazení měrné hnací síly jednotlivých rychlostních stupňů vozidla Peugeot 106 1.0
I.
33 %
II.
18 %
III.
12 %
IV.
8,6 %
V.
6,7 %
tabulka 2-II určení maximálních stoupavostí vozidla Peugeot 106 1.0 pro jednotlivé rychlostní stupně
Maximální stoupavost vozidla, dle výpočtového zatížení, je plně v souladu s požadavkem minimální maximální stoupavosti 30 %, který je definován normou EHS/ES 97/2710. Z grafu měrné hnací síly (2-D) je patrný trend rychle klesající stoupavosti vozidla v závislosti na zařazeném rychlostním stupni. Tento trend je způsoben poměrně malým výkonem motoru vozidla, který po přepočítání na výpočtovou hmotnost vozidla
10
First J. a kol.: Zkoušení automobilů a motocyklů – příručka pro konstruktéry , ČVUT v Praze, Fakulta dopravní, Ústav dopravní techniky, ISBN: 078-80-254-1805-6
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
činí 23,1 kg/kW. Malý měrný výkon vozidla je také jedním z hlavních důvodů poměrně vysoké spotřeby pohonných hmot vozidlem.
2.2.3. Určení zrychlení vozidla a pružnosti pohonné jednotky vozidla
Charakteristika zrychlení 2
zrychlení (m/s2)
1,5
I.
1
II. III. 0,5
IV. V
0 0 -0,5
20
40
60
80
100
120
140
160
180
rychlost (km/h)
graf 2-E Graf charakteristiky zrychlení vozidla Peugeot 106 1.0
I.
1,77 m/s2
II.
0,98 m/s2
III.
0,67 m/s2
IV.
0,43 m/s2
V.
0,31 m/s2
tabulka 2-III Maximální dosažená zrychlení vozidla Peugeot 106 1.0 na jednotlivé rychlostní stupně
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Vyhodnocení pružnosti pohonné jednotky vozidla Peugeot 106 1.0 momentová pružnost:
=
= 0,246
otáčková pružnost:
=
= 1,57
celková pružnost:
=
∙
= 0,39
2.2.4. Teoretický výpočet spotřeby vozidla Peugeot 106 1.0 dle metodiky NEDC Pomocí získaných výsledků analýzy vnějších charakteristik vozidla Peugeot 106 1.0 (kapitoly 2.2.1.,2.2.2.,2.2.3.) a parametrický tabulek cyklů ECE, EUDC a NEDC (viz. Příloha 1) byla vypočítána spotřeba pohonných hmot analyzovaného vozidla. Uvedená spotřeba pohonných hmot nebyla počítána dle metodiky stanovené normou EHK 10111, ale při výpočtu bylo použita data získaná analytickým výpočtem vnějších charakteristik vozidla. Vztahová základna a matematický postup výpočtu spotřeby pohonných hmot je uveden v příloze 4. Vypočítaná spotřeba v jednotlivých fází provozu spotřeba město spotřeba mimo město kombinovaná spotřeba
10,11 l/100km 5,54 l/100km 7,2 l/100km
2.3 Praktická část analýzy vozidla Peugeot 106 1.0 Během analýzy vozidla Peugeot 106 1.0 bylo najeto s vozidlem 2350 km - viz tabulka 2-IV. Měření probíhalo metodou dojezdové zkoušky, kdy bylo využíváno tankování plné nádrže a měření pomocí denního počítadla ujetých kilometrů (tento způsob měření průměrné spotřeby vozidla je umožněn standardy EHS/ES 1999/100, 11
First J. a kol.: Zkoušení automobilů a motocyklů – příručka pro konstruktéry , ČVUT v Praze, Fakulta dopravní, Ústav dopravní techniky, ISBN: 078-80-254-1805-6, kap. 12.4.2.
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
EHS/ES 93/116, EHS/ES 80/1268)10. Během měření odpovídala hmotnost vozidla normativním požadavkům - tzn. při plném natankování palivové nádrže bylo vozidlo zatíženo pohotovostní hmotností + 190 kg hmotností posádky a batožiny.
cena za l datum počet l (kč) 15.10.2011 33,00 34,50 15.10.2011 17,77 34,50 16.10.2011 34,50 6,69 31.10.2011 31,19 33,40 18.11.2011 22,84 34,90 18.11.2011 13,98 34,90 15.12.2011 38,44 32,70 sumace 163,91
Výsledná spotřeba cena provozu cena(kč) km (l/100km) (kč/km) 1138,50 419,8 7,86 2,71 613,07 316,4 5,62 1,94 230,81 164,0 4,08 1,41 1041,75 434,1 7,18 2,40 797,12 316,7 7,21 2,52 487,90 214,5 6,52 2,27 1256,99 484,5 7,93 2,59 5566,12 2350,0
6,63
2,26
tabulka 2-IV zobrazení tankování, spotřeby a nákladů na kilometr jízdy v palivu pro vozidlo Peugeot 106 1.0 Legenda tabulky 2-IV Řádky s bílým pozadím simulují spotřebu při běženém způsobu denním jízdy a použití dané kategorie vozidla (zejména městský a příměstský provoz), který je velmi podobný svojí definicí definici měření spotřeby dle cyklu NEDC. Žlutě a červeně podbarvené řádky potom odpovídají dálkovému provozu, který byl snímán pomocí GPS loggeru a byl vytvořen protokol záznamu z jízdy - viz příloha č.2, příloha č.3 .
Měření trasy v tabulce 2-IV označené žlutým podbarvením bylo provedeno na testovacím okruhu Plzeň - Písek - České Budějovice - Tábor - Milevsko - Plzeň, kdy bylo cílem dosáhnout vysoké průměrné jízdní rychlosti mezích dopravních předpisů. Kompletní protokol měření, vytvořený pomocí softwaru UTRACK je umístěn v příloze 2. Měření trasy v tabulce 2-IV označené červeným podbarvením bylo provedeno na testovacím okruhu Plzeň - Horšovský Týn - Klenčí pod Čerchovem - Trhanov Babylon - Domažlice - Klatovy - Plzeň. Při této jízdě bylo maximálně dbáno zásad úsporné jízdy, které jsou specifikovány v knize "Jak jezdit s nižší spotřebou" - Jan Horníček [16]. Kompletní protokol měření je vytvořen pomocí softwaru UTRACK a je umístěn v příloze 3.
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
2.4. Souhrn analýzy vozidla Peugeot 106 1.0 Byla provedena komplexní analýza vnějších parametrů vozidla Peugeot 106 1.0 verze VF31ACDYE. Byly vypočteny vnějších charakteristiky vozidla a dle průběhů cyklů ECE, EUDC, NEDC byl proveden výpočet spotřeby vozidla, který využívá data získaná analytickým výpočtem vnějších charakteristik vozidla. Tento výpočet byl verifikován srovnáním s měřením spotřeby vozidla v reálném provozu pomocí metody dojezdové zkoušky. Při srovnání všech tří metod získání hodnot spotřeby pohonných hmot vozidlem (metoda dojezdové zkoušky, metoda stanovená standardem EHK 101 a výpočtové metody využívající data získaná analytickým výpočtem vnějších charakteristik vozidla), vychází nejoptimističtěji spotřeba deklarovaná pomocí standardu EHK 101, zatímco vypočítaná spotřeba dle vnějších charakteristik vozidla se více blíží spotřebě, která byla při provozu vozidla změřena metodou dojezdové zkoušky. Pravdivost vypočtených a naměřených hodnot spotřeby pohonných hmot potvrzují i praktické zkušenosti řidičů a odborníků 1213, kteří při provozu vozidla zpravidla dosahují vyšších spotřeb, než jaké deklarují výrobci v dokumentaci vozidel dle standardu EHK 101. Tento fakt je nejvíce patrný v městském provozu, kdy vypočítaná spotřeba dle vnějších charakteristik vozidla překonává deklarovanou městskou spotřebu o cca 25% tedy o 2 l/100km, nejmenší rozdíl je potom dosažen v cyklu EUDC, kdy je rozdíl 8,6%, tedy 0,44 l/100km, nižší odchylka naměřených a vypočtených hodnot je dána velkým podílem provozu vozidla ustálenou rychlostí v tomto cyklu. Tento stav lze osvětlit nejen chybou výpočtu (zaokrouhlování, případně nízká vzorkovací frekvence dynamických částí výpočtu a zjednodušení okrajových podmínek výpočtu pro možnou analytickou realizaci výpočtu), ale i "modelovostí" cyklu ECE, který nastává ve skutečnosti ve velmi vzácných případech. V běžném provozu
se kombinovaná spotřeba pohonných hmot přibližuje spíše ke
kombinovanému provozu dle standardu EHK 101 i dle výpočtu vycházejícího z vnějších charakteristik vozidla. Je-li provedeno srovnání číselných hodnot: EHK 101: 6,1 12
redakce Auto plus, Test reálné spotřeby 152 automobilů, časopis Auto plus, číslo 1161, vydáno: 7.12.2010
13
Dragoun A., EU plánuje realističtější měření spotřeby, www.auto.cz, 14.6.2012, http://www.auto.cz/eu-planuje-realistictejsi-mereni-spotreby-67554
Disertační práce
Ing. Petr Kleisner
l/100km; výpočet vycházející z vnějších charakteristik vozidla: 7,2 l/100km; reálné měření při ujeté vzdálenosti 2350km: 6,63 l/100km, potom mezi výpočtovými metodami je 18%, tedy 1,1 l/100km, zatímco rozdíl naměřené spotřeby je o 8,6 procenta vyšší proti spotřebě dle metodiky EHK 101 a o 8,6 % nižší proti spotřebě vypočtené z vnějších charakteristik vozidla. Vzhledem k dosaženým výsledkům lze konstatovat, že dojezdovou zkouškou změřená kombinovaná spotřeba je v toleranci do 10% od vypočtených hodnot oběma výpočtovými metodami, což pro další účely této práce staví obě metodiky výpočtu spotřeby paliva do rovnocenné pozice.
Disertační práce
Ing. Petr Kleisner
3. Informace o vozidle Peugeot 106 electric Vzhledem k analýze vozidla Peugeot 106 1.0 a zaměření práce na energetickou náročnost provozu vozidel je vhodné uvést i "elektrické dvojče" analyzovaného vozidla Peugeot 106, tedy Peugeot 106 Electric, či jeho koncernové dvojče Citroen Saxo electric. Koncepce elektromobilu odpovídá době jeho vzniku - v polovině 90. let 20. století - jde o konverzi vozidla se spalovacím motorem na elektromobil. Pohonná jednotka (obr.3-2) byla zkonstruována firmou Leroy Sommer přímo pro potřeby automobilového koncernu PSA - jde o jednotku bez převodovky se stálým převodem 10,42:1*.
Dle informací výrobce je energetická náročnost provozu elektromobilu
uváděna mezi 12 - 16 kWh/100 km, což zhruba odpovídá spotřebě 1,14 - 1,52 l benzínu na 100 km. Uvážíme-li však mechanickou účinnost spalovacího motoru 30%, potom uvedená spotřeba odpovídá spotřebě vozidla se spalovacím motorem a spotřebou 3,8 5,1 l benzínu na 100 km, což jsou příznivé hodnoty v daném segmentu i v případě dosažení těchto hodnot spalovacím motorem. Může být tedy zkonstatováno, že při teoretickém srovnání využité energie k pohybu bez odpadního tepla spalovacího motoru je dle metodiky EHK 101 Peugeot 106 electric minimálně o 22% energeticky výhodnějším vozem. Poznámka : * převod byl stanoven pomocí přepočtu počet otáček kola při maximální rychlosti k otáčkám motoru
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
obr. 3-1 rozložení elektrovýzbroje ve vozidle Citroen Saxo/ Peugeot 106 electric14
obr. 3-2 Pohonná jednotka se stálým převodem od firmy Leroy Sommer13
Technické údaje vozidla Peugeot 106 Electric 15
Motor Výkon Palubní napětí Baterie Maximální rychlost Akcelerace
Stejnosměrný, vzduchem chlazený 11kW jmenovitý, 20 kW špičkový 120V/ 100 Ah + 12V baterie pomocných pohonů 20x Saft STM-5MRE NiCad 6V/100 Ah 91 km/h 0-50 km/h za 8,3 s
14
společnost Electroauto, Elektromobily Peugeot 106 a Citroen SAXO, www.electroauto, r.2005 http://www.electroauto.cz
15
Pfeiffer H.,Peugeot 106 Electrique, www.emission-zero.de, poslední aktualizace 5.5.2012, http://www.emission-zero.de
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce Spotřeba Dojezd Nabíječka Dobíjecí cyklus Rozměry poloměr otáčení Hmotnost bez baterie Hmotnost s baterií Hnaná náprava Brzdy Pneumatiky
12-16 kWh/100km 75 - 120 km Sagem 3,3 kW 4h - 80%; 7h - 100% 3 718 x 1 595 x 1 390 mm 5 550 mm 1 095 kg 1 400 kg přední kapalinové + rekuperační systém 165/70 R13
3.1. Srovnání vozidel Peugeot 106 v benzínové a elektrické verzi Při prvním srovnání parametrů obou vozidel je patrné efektivnější využití pohonné energie elektromobilem, který potřebuje na ujetí 100 km 12 - 16 kWh elektrické energie, což odpovídá cca 1,4 - 1,8 l/100 km. Této nízké energetické náročnosti provozu je však dosaženo za určitých omezení. Prvním, z hlediska komfortu posádky vozidla nejzásadnějším omezením, je absence vytápění kabiny - toto omezení lze vyřešit nezávislým benzínovým topením. Druhým významným omezením je zkrácení akčního rádiu elektrické verze vozidla na cca 1/6 akčního rádiu verze se spalovacím motorem. Srovnání elektrické a spalovací verze vozidla Peugeot 106 odhaluje základní nedostatky konverze vozidla se spalovacím motorem na elektromobil. Při této konverzi je splněna prvotní snaha o pohon elektrickou energií, která je však vykoupena minimálním dojezdem vozidla, dále také snížením užitné hodnoty vozidla o nutnosti doplnění o nezávislé topení a absenci úložného prostoru, který je zpravidla zaplněn trakční baterií. Z hlediska mechanického jsou potom jednotlivé díly podvozkové skupiny více namáhány, neboť běžná hmotnost olověné trakční baterie požadovaných parametrů
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
dosahuje nezřídka i 500 kg16, které u daného vozidla činní cca 50 % pohotovostní hmotnosti benzínového ekvivalentu. Ze získaných poznatků tedy vyplývá nutnost respektovat elektromobil jako unikátní vozidlo, které má svá konstrukční a projekční specifika, která musí být bezezbytku akceptována a plně v projekčním a konstrukčním návrhu splněna. Získané poznatky ze srovnání vozidel Peugeot 106 1.0 a Peugeot 106 Electric byly formulovány
v konstrukční filosofii "Electric vehicle first"17 a následně byly
aplikovány při projekčním návrhu, konstrukčním návrhu a realizaci vozidla EHR 10 - viz kapitola 4.
16
Kleisner P. Akumulátory pro elektromobil Hot Rod verze 1.0, projekční rešerše ZČU v Plzni 2010
17
[28]
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
4. Elektromobil EHR 1018 4.1. Obecné informace Elektromobil EHR 10 je prvním českým elektromobilem ve stylu retro, který byl nasazen v běžném provozu. Tento elektromobil byl zkonstruován dle konstrukční filosofie „Electric vehicle first“ s důrazem na maximální zohlednění všech zvláštností konstrukce elektromobilu při zachování uživatelského komfortu a maximální bezpečnosti přepravovaných osob.
obr 4-1 elektromobil EHR 10
Mechanické části vozidla byly zkonstruovány tak, aby vozidlo odpovídalo platné legislativě umožňující vozidlu provoz po silničních komunikacích. Kabina posádky je tvořena bezpečnostním hliníkovým monokokem, který je doplněn o přední a zadní prostorový rám. Tyto rámy slouží jako deformační zóny a zároveň jako nosiče pohonné technologie. V přední části vozu se v optimalizovaném prostoru nachází trakční baterie a baterie příslušenství, v zadní části se nachází pohonná jednotka s převodovkou a rozvodovkou. Z hlediska hodnocení energetické náročnosti provozu elektromobilu EHR 10 jsou nejdůležitější vnější mechanické parametry vozu a pohonný uzel, který se skládá
18
Zpracování kapitoly týkající se elektromobilu EHR 10 vychází z [30]
Disertační práce
Ing. Petr Kleisner
z energetického zdroje, měniče se zadávacím členem, elektromotoru, převodovky a rozvodovky, která přenáší hnací sílu přes kola na vozovku.
4.1.1. Typový list elektromobilu EHR 1019 Kategorie: M1 Akumulátor Typ akumulátoru: LiFeYPO4 Kapacita: 200Ah Napětí: 96V Požadavky na nabíjení napětí 100 – 240 V, 50 – 60 Hz, jištěný okruh 16A Doba dobíjení: 4 h do nabití 80% Počet nabíjecích cyklů: 2 000 (80DOD%), 3 000 (70DOD%) Životnost akumulátoru: 8 let nebo 250 000 km
Motor Typ: stejnosměrný elektromotor umístěný za zadní nápravou Maximální výkon: 21kW stálý výkon, 35kW špičkový Maximální proud: 350 A Maximální kroutící mom.: 56 N.m na hřídeli motoru
Převodové ústrojí 4° převodovka s rozvodovkou, 2 hnací hřídele s křížovými klouby Převodové poměry: I 3,385 II 2,055 III 1,333 IV 0,896 R 4,275 SP 5,37
Podvozek
19
Kleisner P., Kutlwašer J., EHR 10, www.ehotrod.cz;ehotrod.zcu.cz, 31.8.2011, http://ehotrod.zcu.cz/typ.html
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
prostorový rám z hliníkových plechů a profilů Přední náprava: Zadní náprava: Provozní brzdy: Přední brzdy: Zadní brzdy: Parkovací brzda: Řízení: Ráfky kol: Pneumatiky:
lichoběžníková, odpružení vinutými pružinami lichoběžníková, odpružení vinutými pružinami kapalinové bez posilovače kotoučové s ventilovanými kotouči kotoučové mechanická na zadní kola hřebenové řízení 7,00J x 16, ET 25 195/55 R 16 91T Michelin Energy Saver
Karosérie povrchové panely z kompozitu vyztuženého karbon - aramidovými vlákny dvoumístná, zavazadlový prostor za sedadly Čelní sklo: 2 deflektory z polykarbonátu Rozměry a hmotnosti Délka: 4 000 mm Šířka: 1 695 mm Výška: 1 105 mm Světlá výška: 130 mm Rozvor: 2 700 mm Hmotnost vozidla v nenaloženém stavu: 650 kg Pohotovostní hmotnost: 920 kg Užitečná hmotnost: 250 kg Objem zavazadlového prostoru: 145 l
Jízdní výkony Maximální rychlost: 110 km/h Zrychlení 0 – 60 km/h: 6,7 s Dojezd: 230 - 250 km při kombinovaném provozu dle NEDC
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
4.2. Technická specifikace elektromobilu EHR 10 4.2.1. Baterie Energetickým zdrojem pohonu elektromobilu EHR 10 je palubní trakční baterie využívající technologii LiFeYPO4 s napětím 96 V a kapacitou 200 Ah. Tato baterie je vyskládána ze 30 kusů článků Thunder Sky TS-LFP200AH, které disponují velmi dobrou vybíjecí charakteristikou viz. obr. 4-2. Výhodou technologie LiFeYPO4 je, krom velmi dobré možnosti proudového zatížení a ploché vybíjecí charakteristiky, nízká hmotnost, která dle výrobce činí 8,32 kg na článek, celková hmotnost baterie tedy činí cca 250 kg.
obr 4-5 vybíjecí charakteristika článku 3.2V 200 Ah při teplotě 25oC20
4.2.2. Měnič Elektromobil EHR 10 je vybaven stejnosměrným vzduchem chlazeným měničem, který využívá PWM regulace spínáním MOSFET polovodičových prvků. Zadávání
regulačního
členu
probíhá
elektromechanický kontinuální převodník.
pomocí
akceleračního
pedálu
přes
Jednoduchost a robustnost měniče
umožňuje při experimentálním provozu elektromobilu EHR 10 snadnou analýzu dat při minimálních nárocích na měřící techniku. Zároveň je toto řešení, z hlediska robustnosti, 20
Sedlák J., Lithiové články 4.2V - FiFePO4, www.auto88.cz, 19.9.2008, http://www.auto88.cz/forum/showthread.php?t=8
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
dostatečně prověřeno v dopravní trakci. Zjednodušené schéma výkonového měniče je uvedeno v příloze 5.
4.2.3. Elektromotor V elektromobilu EHR 10 je instalován stejnosměrný sériový vzduchem chlazený motor s průběhem výkonu a točivého momentu viz graf 4-A. Tento motor pochází z produkce české firmy ZTS. Štítkové hodnoty elektromotoru: Hmotnost: 53 kg Výkon: 21 kW nom., 35 kW špičkově Kroutící moment: 56 Nm na hřídeli Napěťová hladina: 96V Jmenovité otáčky: 3000 min-1 Maximální otáčky: 5000 min-1 Parametry motoru 60
50
40
30
20
10
0 455
585
765
1000
1100
1360
1630
2180
2585
3270
4180
5000
otáčky (1/min)
Graf 4-A parametry stejnosměrného motoru
Moment (Nm) Výkon (kW)
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
4.2.4 Převodovka a rozvodovka Převodovka s rozvodovkou je přejata z vozidla Fiat 600. Tento typ převodovky byl vybrán jako kompromisní s nejbližšími převodovými poměry ěry ideální variantě systémového návrhu pohonu elektromobilu ele EHR 10 viz. příloha 6. Převodové poměry výše uvedeného uvedené převodového ústrojí jsou21: I - 3,385; II 2,055; III - 1,333; IV - 0,896; R - 4,275; SP - 5,37.
obr 4-6 převodové ústrojí elektromobilu EHR 10 obr.
Přestože stože
dnešní
trend
vozidel
směřuje
k automatickým,
respektive
robotizovaným převodovkám, byla zvolena standardní převodovka s mechanickým řazením. Vzhledem k otáčkovým charakteristikám elektromotoru byla, byla na základně analýzy vnějších charakteristik vozidla, vozidl zvolena čtyřstupňová převodovka. Výhodou použití manuálně řazené mechanické převodovky v elektromobilu je lepší využití charakteristiky elektrického motoru - rozšíření oblasti maximální účinnosti pohonu a také možnost získání všech potřebných dat pro další další vývoj hybridního pohonu, jehož systémový návrh je cílem této práce - od kapitoly 6.
21
Pažout M., Fiat 600D,http://www.f600club.cz ://www.f600club.cz, r.2007, http://www.f600club.cz/600d.php
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
4.3 Vypočtené vnější charakteristiky elektromobilu EHR 10 Tabulka výpočtu parametrů je zobrazena v příloze 7. Určení výpočtové pohotovostní hmotnosti vozidla pro verifikační výpočet parametrů je uvedeno v příloze 8.
4.3.1 Pilový diagram
graf 4-B pilový diagram elektromobilu EHR 10
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
4.3.2 Určení maximální stoupavosti elektromobilu EHR 10
graf 4-C Zobrazení měrné hnací síly jednotlivých rychlostních stupňů elektromobilu EHR 10 I.
26 %
II.
15 %
III.
9%
IV.
6%
tabulka 4-I určení maximální stoupavosti elektromobilu EHR-10 pro jednotlivé rychlostní stupně
Výpočet maximální teoretické rychlosti vozidla EHR10 !"#$ =
22,6 ∙ % ∙ & 22,6 ∙ 0,31 ∙ 83,33 = = 121,33*+ /ℎ. '( ∙ ' 5,37 ∙ 0,896
Maximální stoupavost elektromobilu dle výpočtového zatížení odpovídá legislativním požadavkům na EHS/ES 97/27. Z grafu 4-C byla odečtena maximální rychlost elektromobilu EHR 10 - 110 km/h, která se, od teoreticky vypočtené maximální rychlosti při maximálních otáčkách motoru (5000 ot/min) a zařazenému 4. rychlostnímu stupni, liší o 11,33 km/h, tedy o 9,3% - při provozu vozidla bylo dosaženo krátkodobé maximální rychlosti 118km/h.
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
4.3.3 Určení zrychlení a pružnosti pohonné jednotky elektromobilu EHR 10
Charakteristika zrychlení
2,50
2,00
zrychlení (m/s2)
1,50 I II
1,00
III IV
0,50
0,00 0,00
20,00
40,00
60,00
-0,50
80,00
100,00
120,00
rychlost (km/h) graf 4-D Charakteristika zrychlení elektromobilu EHR 10
I.
1,9 m/s2
II.
1,25 m/s2
III.
0,83 m/s2
IV.
0,59 m/s2
tabulka 4-II Maximální dosažená zrychlení elektromobilu EHR 10 na jednotlivé rychlostní stupně
140,00
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
4.3.4 Teoretický výpočet spotřeby elektromobilu EHR 10 dle metodiky NEDC Vzhledem k maximální rychlosti elektromobilu EHR 10 byla použita modifikovaná metodika EUDC a NEDC, která se používá pro vozidla s nižším výkonem motoru. Modifikace těchto metodik byla zvolena s ohledem na maximální rychlost vozidla EHR 10, kdy v cyklu EUDC (viz příloha 1) byla činnost 16,17 nahrazena prodlouženou činností 15 jejíž doba trvání byla prodloužena o 30 s na celkových 60 s. Pro výpočet spotřeby elektromobilu EHR 10 v městském provozu bylo využito parametrizace cyklu ECE. Výpočtem (viz příloha 9) byly zjištěny následující hodnoty: spotřeba energie pro jeden ECE cyklus: 106,55Wh přepočítaná spotřeba na jeden kilometr ECE cyklu: 127,44 Wh Pro výpočet spotřeby elektromobilu EHR 10 v mimoměstském provozu bylo využito modifikované parametrizace cyklu EUDC. Výpočtem byly zjištěny následující hodnoty: spotřeba energie pro jeden cyklus EUDC: 400,89Wh přepočítaná spotřeba na jeden kilometr EUDC cyklu: 78,25 Wh Pro výpočet spotřeby elektromobilu EHR 10 v kombinovaném provozu bylo využito modifikované parametrizace cyklu NEDC. Výpočtem byly zjištěny následující hodnoty: spotřeba energie pro jeden NEDC cyklus: 827,09 Wh přepočítaná spotřeba na jeden kilometr NEDC cyklu: 110,77 Wh. Pro větší názornost převedení spotřeby na ekvivalentní spotřebu benzínu N95 s výhřevností 43 000 kJ na 1l paliva: spotřeba město spotřeba mimo město kombinovaná spotřeba
1,3 l/100km 0,8 l/100km 1,1 l/100km
Přestože se na první pohled jeví spotřeba elektromobilu jako velmi nízká, je třeba si uvědomit, že tato spotřeba je vypočítána bez zatížení pomocnými zařízeními elektromobilu a to zejména klimatizační/topící jednotkou (kterou vozidlo EHR 10
Disertační práce
Ing. Petr Kleisner
neobsahuje), jejíž provoz je v elektromobilu mnohem energeticky "dražší", než v automobilu se spalovacím motorem. Tento fakt je způsoben tím, že elektromobil produkuje mnohem méně odpadního tepla než konvenční automobil.
4.4. Energetická náročnost provozu elektromobilu EHR 10 4.4.1. Provoz slaboproudého okruhu Provoz slaboproudého okruhu je rozdělen na provoz světelné části okruhu a na řídící části silnoproudého okruhu, který je určující pro dojezd elektromobilu.
Řídící část Energetická náročnost provozu tohoto okruhu se skládá z provozu stykače, který připojuje pohonnou baterii k měniči a motoru. Stálý odběr tohoto stykače je 2A, jde tedy o spotřebu 24Wh za hodinu provozu. Druhým zařízením je řídící systém BMS RT. Spotřeba tohoto zařízení se pohybuje od 60mA ve stand-by režimu do 300 mA při regulaci. Energetická náročnost BMS RT je tedy 3,6W/h za hodinu provozu ve stavu plné regulace.
Světelný okruh Pro hlavní světlomety je spotřeba definována použitím žárovek H4 s vlákny 55/60W, čemuž odpovídá spotřeba 4,6/5 A, tedy 8,2/10A pro pár hlavních světlometů22. Odběr předních parkovacích led žárovek je potom 0,02 A/kus, čemuž odpovídá 0,04 A pro přední pár . Jde tedy o spotřebu 0,48Wh na hodinu provozu19.
22
Kleisner P.: Návrh polovodičového světlometu pro dopravní prostředek– diplomová práce, ZČU v Plzni, Fakulta strojní 2008
Disertační práce
Ing. Petr Kleisner
Odběr zadních obrysových světlometů je 0,5 A na pár a odběr brzdových světlometů je 1,5 A na pár. Jde tedy o spotřebu 6Wh u obrysových světlometů a 18Wh u brzdových světlometů za hodinu provozu19. Odběr směrových světlometů je 1,33 A na stranu. Jde tedy o spotřebu 16Wh u zatáčení a 32Wh s výstražnými směrovými světlomety za hodinu provozu19. Osvětlení palubních přístrojů potom odebírá 0,2A podle požadovaného jasu, který je regulovatelný. Jde tedy o spotřebu 2,4W za hodinu provozu19. Spotřeba denních světlometů je uvedena výrobcem světlometů (typ AB-0028) jako 0,5 A při předepsaném osvětlení. Jde tedy o spotřebu 6Wh za hodinu provozu.
4.4.2. Provoz silnoproudého okruhu
Obr 4-7 testovací okruh městského provozu elektromobilu EHR 1023
23
www.mapy.cz
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
graf 4-E výškový profil testovacího okruhu městského provozu elektromobilu EHR 10 bod
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0
353
355
361
363
364
364
363
359
357
353
355
353
úsek. vzd. (m)
0
299
369
648
153
235
216
420
453
98
440
338
celk. vzd. (m)
0
299
671
1316
1469
1704
1920
2340
2793
2891
3331
3669
stoupání (%)
0
1,28
3,81
1,28
0,63
0,00
-0,63
-2,54
-1,28
-2,54
1,28
-0,02
úhel stoup. (o)
0
1,15
3,43
1,15
0,57
0
-0,57
-2,29
-1,15
-2,29
1,15
-0,02
nadm. výška (m)
tabulka 4 - III parametrický zápis testovacího okruhu městského provozu elektromobilu EHR 10
Při měření spotřeby elektromobilu EHR10 byl na trati obr. 4-7 simulován běžný městský provoz s častým zastavováním a rozjížděním. Profil trati odpovídá grafu 4-E a parametry trati jsou zobrazeny v tabulce 4-III. Simulace probíhala tak, že v bodech 0,2,3,6,8,9,10 bylo při každém okruhu zastaveno. V úsecích 0-2, 6-7, 9-10 a 10-0 bylo maximální akcelerací dosaženo 50 km/h, tato rychlost byla následně držena po maximální možnou dobu (styl jízdy „brzda - plyn“). V ostatních úsecích byla udržována rychlost mezi 30 – 40 km/h. Během testu bylo obkrouženo 30 kol s dvojím střídáním řidičů což odpovídá ujetí 110 km. Následně byla dle metodiky uvedené v předpisu EHK 101 stanovena kilometrická spotřeba elektromobilu EHR 10 v městském provozu na 136,4 Wh/km. Při srovnání s vypočteným výsledkem cyklu NEDC z kapitoly 4.3.4.
Disertační práce
Ing. Petr Kleisner
(127,44 Wh/km) jde o rozdíl 7,03 %. Test probíhal za následujících okolních podmínek: polojasno, mírný JZ vítr (2,5m/s), teplota 24 oC, tlak 100 380 Pa, relativní vlhkost vzduchu 64 %, průměrná dosažená rychlost během tohoto byla 36,7km/h. Měření probíhalo pomocí GPS navigace TomTom One a GPS data loggeru Garmin etrex legend. Pro měření spotřeby elektromobilu EHR 10 v mimo městském provozu byl zvolen okruh vytyčený obcemi Plzeň, Beroun, Rakovník, Dochov a Toužim. Dle metodiky uvedené v předpisu EHK 101 byla při tomto režimu jízdy zjištěna hodnota spotřeby 85 Wh/km. Během tohoto testování bylo najeto 1018 km při okolních následujících testovacích podmínkách: polojasno, mírný proměnlivý vítr (do 4m/s), při teplotách 17 - 28 oC, tlakovém rozmezí 100 150 - 101160 Pa. Relativní vlhkost vzduchu se pohybovala mezi 60 - 75 %. Měření kombinované spotřeby elektromobilu EHR 10 v kombinovaném provozu probíhala na trase Plzeň, Nezvěstice, Nepomuk. Dle metodiky uvedené v předpisu EHK 101 byla při tomto režimu jízdy zjištěna hodnota spotřeby 120 Wh/km. V tomto testovacím režimu bylo najeto 494 km při následujících testovacích podmínkách: zataženo, bezvětří, teplota 20 - 23 oC, vlhkost 73%, hodnota tlaku 100 900 Pa.
4.5. Rekuperace a její vliv na provoz elektromobilu EHR 10 Výsledky výpočtů spotřeby elektromobilu EHR 10 uvedené v kapitole 4.3.4. jsou uvedeny bez rekuperace. Z hlediska výpočtů dle rychlostních a dynamických požadavků cyklů ECE, EUDC a NEDC je takřka nemožné objektivně vliv rekuperace na spotřebu elektromobilu zahrnout do výpočtů – důvodem je problematika časového zpoždění mezi aktivací rekuperace a možností akumulátorových článků absorbovat získanou elektrickou energii – při měření byla většina takto získané elektrické energie přeměněna v teplo do chladičů systému BMS RT. Při srovnání hodnot, které uvádí výrobci GM a Ford, jejich elektromobily dosahují použitím rekuperace úspory až 25 % energie, zejména při provozu v oblasti městského cyklu, s hodnotami získanými měřením a informacemi, které vycházejí z konzultace s konstruktérem Opelu Corsa
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Elektra – Ing. Hrůzou a bývalým vývojovým pracovníkem vozidla Tatra Beta Ing. Šímou, bylo prokázáno, že hodnota 20 – 25 % je nadhodnocená. Praktické použití rekuperace přineslo úsporu elektrické energie v rozmezí 5 – 10 %. Nižší účinnost rekuperace potvrdil i model od Ing. Kristiny Hanečkové, který byl publikován na konferenci ERIN 2010 24. Rekuperace je tedy přínosným zařízením v omezené míře. Pro dosažení vyšší efektivity rekuperace je nutno osadit vozidlo super kapacitory, které jsou však z hlediska nákladů výraznou položkou, která vozidlo prodražuje. Během měření a hodnocení energetické náročnosti provozu elektromobilu EHR 10 metodoou dojezdové zkoušky byla rekuperace ve většině jízdních situací hodnocena jako nepřínosná a mnohdy i kontraproduktivní z následujících důvodů: •
Omezení kinematické setrvačnosti vozidla bez většího přínosu uspořené energie - pro sepnutí rekuperace elektrické energie je třeba aktivovat pohonnou jednotku v režimu "generátor".
•
Většina
rekuperované
energie
byla
přeměněna
monitorovacím
systémem baterie na teplo. •
Pomalá reakce měniče na rekuperaci - při běžném průjezdu zatáčkou je množství narekuperované energie zanedbatelné.
•
Při porovnání výsledků dojezdové zkoušky s rekuperací/bez rekuperace bylo při trojím opakování dojezdové zkoušky dosaženo o cca 6 km delšího dojezdu při provozu bez rekuperace.
24
Hanečková K., Model osobného automobile so sériovým hybridným pohonom, Sborník konference ERIN2010, ISBN 978-80-7043-866-4
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
4.6. Srovnávací test elektromobilů Opel Corsa Elektra a EHR10 Během testovacího provozu elektromobilu EHR 10 bylo možno provést test při němž došlo k "setkání generací". Byl porovnán elektromobil
vytvořený konverzí
konvenčního vozidla Opel Corsa a elektromobil EHR 10, který již od počátku byl konstruován jako elektromobil. Obě vozidla byla při testování zatížena předepsaným zatížením 180 kg nad pohotovostní hmotnost. Tedy u EHR 10 šlo o aktuální hmotnost 1100 kg a u vozidla Opel Corsa Elektra25 šlo o hmotnost 1480 kg. Test obou vozidel proběhl při běžném provozu se zatížením, které odpovídalo aktuální dopravní situaci. Více viz tabulka 4- IV.
Parametr
EHR10
Corsa Elektra
Pohotovostní hmotnost
920kg
1300 kg
Užitečná hmotnost
250 kg
340 kg
Celková hmotnost
1170 kg
1640 kg
Jmenovitý výkon
21 kW
15,4 kW
Jmenovité napětí
96V
84V
120 Wh/km
300 Wh/km
Dosažený dojezd
170 km*
60 km
Maximální rychlost
118 km/h
80 km/h
26%
17%
Průměrná spotřeba energie
Maximální stoupavost
Tabulka 4 - IV Srovnání parametrů EHR10 a Opel Corsa Elektra
* test EHR 10 byl ukončen ve chvíli, kdy BMS RT ukazoval hodnotu 20% zbývající kapacity baterie, což odpovídá uživatelskému manuálu článků, ze kterých je baterie vyskládána.
25
Elis Plzeň, Datasheet vozidla Opel Corsa Electra, Plzeň 1993
Disertační práce
Ing. Petr Kleisner
Při srovnání hodnot tabulky 4-IV je velmi zajímavý rozdíl v hmotnostech, na tomto rozdílu se velkou mírou podílí použitá technologie baterií, kdy Corsa Elektra používá klasických trakčních olověných akumulátorů (u zkoušeného vozidla již nebylo možno zjistit typ a výrobce), zatímco EHR10 používá článkovou baterii LiFeYPO4. Zásadní rozdíl hodnot je u parametrů dojezdu a jízdních výkonů. Tyto parametry jen potvrzují nárůst kvality baterie v EHR 10, kdy k patrným poklesům napětí na baterii docházelo až po ujetí cca 100 km a to jen při prudké akceleraci, zatímco u Corsy Elektry se tato vlastnost začala projevovat už po cca 15 odjetých kilometrech. Velký rozdíl v průměrné spotřebě elektrické energie je potom možno vysvětlit celkovým rozdílem konstrukční myšlenky. EHR 10 je konstruován jako elektromobil, zatímco Corsa Elektra je upravený konvenční elektromobil, což s sebou přineslo mnoho neoptimalizovaných a nevhodných řešení (nevhodné převody, velká čelní plocha, aerodynamická nečistota, nevhodná kola a pneumatiky, vysoké tření v jednotlivých pohyblivých součástech vozidla) a rozdílnosti technologií palubní trakční baterie, kdy EHR 10 využívá technologii LiFeYPO4, zatímco elektromobil Opel Corsa Electra využívá trakční olověnou baterii. Výše uvedený test byl proveden v kombinovaném provozu. V případě mimoměstského testu bylo s EHR 10 dosaženo opakovaně dojezdu mezi 220 - 230 km, zatímco vůz Opel Corsa Elektra dosáhl maximálního dojezdu kolem 100km a to jen v případě, že elektrolyt baterií byl udržován v optimální teplotě.
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
4.7. Souhrn analýzy elektromobilu EHR 10 Byla provedena komplexní analýza elektromobilu EHR 10. V teoretické části analýzy byly vypočteny vnější charakteristiky vozidla a dle průběhů cyklů ECE, EUDC, NEDC byl proveden výpočet spotřeby vozidla, který vychází z výpočtu vnějších charakteristik vozidla. V praktické části bylo provedeno měření energetické spotřeby elektromobilu dojezdovou zkouškou dle standardu EHK 101, které odpovídá měření spotřeby energie dobité palubní trakční baterie na stav 100% nabití. Při srovnání vypočtených a naměřených hodnot v cyklu ECE byla naměřena spotřeba 136,4 Wh/km (výpočet NEDC 127,44 Wh/km), v cyklu EUDC byla naměřena hodnota 85 Wh/km (výpočet NEDC 78,25 Wh), v cyklu NEDC byla naměřena 120 Wh/km (výpočet NEDC 110,77 Wh/km). Z hlediska odchylek se jedná o rozdíly 7,03% v ECE cyklu, 8,6% v EUDC cyklu a 8,3% v NEDC cyklu.
Získaná
data
a
poznatky
z
projekčního
návrhu,
konstrukce, stavby a experimentální provozu elektromobilu EHR 10 jsou dále zapracovávány jako jeden ze základních pilířů systémového návrhu vozidla vybaveného duálním hybridním pohonem E/E. Základní výhody elektromobilu EHR 10 •
Dlouhý dojezd - 220 -230 km
•
Vysoká cestovní rychlost
•
Nízké jízdní odpory
•
Snadná ovladatelnost a údržba
Základní nevýhody elektromobilu EHR 10 •
Absence systému tepelného komfortu na palubě vozidla.
•
2 místné provedení.
•
Absence střechy.
•
Absence ESP.
•
Doba dobíjení palubní trakční baterie.
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
5. Sběr informací a řidičských dat pro systémový vývoj pohonu E/E 5.1. Škoda Octavia II 2.0 TDI PD 103 kW Pro potřeby disertační práce byl provoz vozidla sledován v letech 2010 - 2011. Měření bylo prováděno dojezdovou zkouškou, kdy vozidlo bylo tankováno do plné nádrže paliva a ujetá vzdálenost byla měřena palubním počítadlem ujetých kilometrů umístěným ve vozidle.
5.1.1. Statistické hodnocení provozu - rok 2010 najeto spotřeba měsíc (km) tankováno (l) (l/100km) leden 1552 95,12 únor 1007 59,47 březen 1611 97,48 duben 2418 144,17 květen 1384 90,1 červen 2319 135,98 červenec 2134 148,86 srpen 1643 114,45 září 2555 178,37 říjen 2363 152,43 listopad 2388 149,49 prosinec 2102 138,8 celkem
23476
1504,72
tabulka 5-I statistika provozu Škoda Octavia II rok 2010
6,13 5,91 6,05 5,96 6,51 5,86 6,98 6,97 6,98 6,45 6,26 6,60 6,41
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Ujetá vzdálenost (km)
Nájezd km za rok 2010 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Měsíc graf 5 - A Škoda Octavia II měsíční rozdělení nájezdu - rok 2010
Vývoj průměrné spotřeby 2010 Prů měrná spotřeba (l/100km)
12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 0
1
2
3
4
5 6 Měsíc
7
8
9
10
11
12
graf 5 - B Škoda Octavia II měsíční rozdělení průměrné spotřeby - rok 2010
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
5.1.2. Statistické hodnocení provozu - rok 2011 najeto spotřeba měsíc (km) tankováno (l) (l/100km) leden 1552 95,12 únor 1241 77,48 březen 1273 79,02 duben 1358 82,78 květen 1384 87,21 červen 1783 112,61 červenec 1570 101,53 srpen 2811 174,89 září 2841 170,54 říjen 1569 94,85 listopad 1359 94,26 prosinec 1808 125 20549
celkem
1295,29
6,13 6,24 6,21 6,10 6,30 6,32 6,47 6,22 6,00 6,05 6,94 6,91 6,30
tabulka 5-II statistika provozu Škoda Octavia II rok 2011
Ujetá vzdálenost (km)
Nájezd km za rok 2011 4000 3000 2000 1000 0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12
Měsíc graf 5 - C Škoda Octavia II měsíční rozdělení nájezdu - rok 2011
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Vývoj průměrné spotřeby 2011
12,00 Prů měrná spotřeba (l/100km)
10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Měsíc
graf 5 - D Škoda Octavia II měsíční rozdělení průměrné spotřeby - rok 2011
5.1.3. Shrnutí sběru informací z provozu vozidla Škoda Octavia II 2.0 TDI – PD – 103 kW Během měření bylo vozidlo používáno k běžnému každodennímu provozu. Nejčastějším místem parkování vozidla byla oblast Plzeň1- Bolevec. Může být konstatováno, že vozidlo bylo provozováno především v reálném městském provozu, který byl velmi často doplněn o provoz dálniční. Celkem bylo během evidence provozu vozidla ujeto 44 025 km s průměrnou spotřebou 6,36 l/100km, což je nárůst o cca 12% vůči průměrné spotřebě vozidla, která je deklarována výrobcem dle metodiky NEDC. Během vedení evidence byly vypozorovány v provozu vozidla následující doporučení: •
Během denního provozu je vozidlo velmi často obsazeno 1 – 2 osobami.
•
Nejčastější kilometrická vzdálenost jízdy je mezi 10 – 20km.
•
Při běžném denní dojíždění za prací je pravidelný nájezd cca 1000 km/ měsíc, vyšší nájezd km je způsoben cestou za zábavou, poznáním, či na dovolené.
•
Výkon motoru se jeví naprosto dostačující a bez výraznějšího nárůstu spotřeby pokrývá i běh klimatizace.
•
Vzhledem ke klimatickému prostředí v okolí provozovaného vozidla a nedostatečné údržbě silnici by bylo vhodné mít v mezních situacích k dispozici pohon 4x4 (vozidlo je pravidelně garážováno v halové garáží, kde
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
nájezd je mnohdy pro vozidlo s pohonem předních kol bez zimních řetězů nesjízdný).
5.2. Dacia Sandero 1.4 MPi 5.2.1. Statistické hodnocení provozu - rok 2011
měsíc
tankováno najeto (km) (l)
leden únor březen duben květen červen červenec srpen září říjen listopad prosinec celkem
spotřeba (l/100km)
1215 1056 1415 1155 1653 1153 1086 815 856 986 1985 514
94,17 82,86 92,84 98,65 114,35 93,56 81,15 59,95 62,18 76,65 135,56 39,84
7,75 7,85 7,29 8,54 6,92 8,11 7,47 7,36 7,26 7,77 6,83 7,75
13889
1031,76
7,43
tabulka 5-III statistika provozu Dacia Sandero rok 2011
Ujetá vzdálenost (km)
Nájezd km za rok 2011 4000 3000 2000 1000 0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12
Měsíc graf 5 - E Dacia Sandero měsíční rozdělení nájezdu - rok 2011
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Prů měrná spotřeba (l/100km)
Vývoj průměrné spotřeby 2011 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Měsíc
graf 5 - F Dacia Sandero měsíční rozdělení průměrné spotřeby - rok 2011
5.2.2. Shrnutí sběru informací provozu vozidla Dacia Sandero 1.4 MPi Během měření bylo vozidlo používáno k běžnému každodennímu provozu. Nejčastějším místem parkování vozidla byla oblast Plzeň-Újezd. Lze konstatovat, že vozidlo bylo provozováno takřka výhradně v reálném městském provozu, který byl příležitostně doplněn o provoz mimoměstský, příležitostně dálniční. Celkem bylo během evidence provozu vozidla ujeto 13889 s průměrnou spotřebou 7,43 l/100km, což je nárůst o cca 8% vůči průměrné spotřebě vozidla, která je deklarována výrobcem dle metodiky NEDC. Během vedení evidence byly vypozorovány v provozu vozidla následující doporučení: •
Během denního provozu je vozidlo nejčastěji osazeno jednou osobou.
•
Nejčastější kilometrická vzdálenost jízdy je cca 16 km (cesta do práce).
•
Při běžném denním dojíždění za prací je pravidelný nájezd cca 800 km/ měsíc, vyšší nájezd km je způsoben cestou za zábavou, poznáním, či na dovolené.
•
Výkon motoru je přijatelný pro přesun osob, klimatizace není ve vozidle osazena, při dálničním přesunu vykazuje vozidlo horší dynamické vlastnosti a vyšší rychlost je vykoupena rychlým a výrazným nárůstem spotřeby paliva.
Disertační práce
•
Ing. Petr Kleisner
Vzhledem ke klimatickému prostředí v okolí provozovaného vozidla a nedostatečné údržbě silnici by bylo vhodné mít v mezních situacích k dispozici pohon 4x4 (vozidlo je parkováno cca 250m od nejbližší chemicky ošetřované komunikace, cestou k místu stání je třeba překonat mírné převýšení).
•
Vozidlo by mohlo být vybaveno komfortními systémy vyhřívání sedadel a aktivním vyhříváním předního okna. Na škodu by též nebyla výkonnější ventilační soustava (klimatizace).
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
5.3. Škoda Superb II 2.0 TDI CMR 125 kW 5.3.1. Statistické hodnocení provozu - rok 2010 měsíc najeto (km) tankováno (l) spotřeba (l/100km) leden 3800 290 7,63 únor 1202 86 7,15 březen 1607 116 7,22 duben 2241 147 6,56 květen 1556 143 9,19 červen 2445 198 8,10 červenec 1396 138 9,89 srpen 2450 212 8,65 září 2397 181 7,55 říjen 1630 135 8,28 listopad 924 99 10,71 prosinec 1604 145 9,04 celkem
23252
1890
8,33
tabulka 5-IV statistika provozu Škoda Superb II rok 2010
Ujetá vzdálenost (km)
Nájezd km za rok 2010 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Měsíc graf 5 - G Škoda Superb II měsíční rozdělení nájezdu - rok 2010
12
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Prů měrná spotřeba (l/100km)
Vývoj průměrné spotřeby 2010 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 1
2
3
4
5
6 7 Měsíc
8
9
10 11 12
graf 5 - H Škoda Superb II měsíční rozdělení průměrné spotřeby - rok 2010
5.3.2. Shrnutí sběru informací z provozu vozidla Škoda Superb II 2.0 125 kW Během měření bylo vozidlo používáno ke každodennímu provozu jako služební vozidlo. Nejčastějším místem parkování vozidla byla oblast Plzeň-Červený Hrádek. Vozidlo bylo provozováno nejčastěji na trase dálnice D5 a po městech Plzeň a Praha. Celkem bylo během evidence provozu vozidla ujeto 23252 s průměrnou spotřebou 8,13 l/100km, což je nárůst o cca 35% vůči průměrné spotřebě vozidla, která je deklarována výrobcem dle metodiky NEDC. Tento nezvykle vysoký nárůst lze vysvětlit stálým během klimatizace v automobilu, nezávislým topením, automatickou převodovou DSG a v neposlední řadě častým provozem v dopravní špičce po městě a častým zatížením vozidla jízdními odpory po dálnici. Během vedení evidence byly vypozorovány v provozu vozidla následující doporučení: •
Během denního provozu je vozidlo nejčastěji osazeno jednou až dvěma osobami.
•
Nejčastější kilometrická vzdálenost jízdy je cca 50 km.
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
•
Výkon motoru odpovídá dané kategorii vozidel včetně využití všech komfortních systémů.
5.4. Peugeot 207 SW 1.4 5.4.1. Statistické hodnocení provozu - rok 2011 najeto (km)
měsíc
tankováno (l)
spotřeba (l/100km)
prosinec
650 900 320 1059 856 963 234 792 846 698 920 892
42,05 58,46 32,69 105,12 52,12 65,32 18,98 65,15 53,54 50,3 63,14 64,56
6,47 6,50 10,22 9,93 6,09 6,78 8,11 8,23 6,33 7,21 6,86 7,24
celkem
9130
671,43
7,35
leden únor březen duben květen červen červenec srpen září říjen listopad
tabulka 5-V statistika provozu Peugeot 207 rok 2011
Ujetá vzdálenost (km)
Nájezd km za rok 2011 1200 1000 800 600 400 200 0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Měsíc graf 5 - I Peugeot 207 měsíční rozdělení nájezdu - rok 2011
11
12
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Vývoj průměrné spotřeby 2011
12,00
Prů měrná spotřeba (l/100km)
10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 1
2
3
4
5
6 Měsíc7
8
9
10
11
12
graf 5 - J Peugeot 207 měsíční rozdělení průměrné spotřeby - rok 2011
5.4.2. Shrnutí sběru informací z provozu vozidla Peugeot 207SW 1.4 Během měření bylo vozidlo používáno k běžnému každodennímu provozu. Nejčastějším místem parkování vozidla byla oblast Plzeň - Červený Hrádek. Vozidlo bylo takřka výhradně provozováno v městském provozu města Plzně. Celkem bylo během evidence provozu vozidla ujeto 9130 km s průměrnou spotřebou 7,35 l/100km, což je nárůst o cca 15% vůči průměrné spotřebě vozidla, která je deklarována výrobcem dle metodiky NEDC. Během vedení evidence byly vypozorovány v provozu vozidla následující doporučení: •
Během denního provozu je vozidlo takřka výhradně osazeno jednou osobou.
•
Nejčastější kilometrická vzdálenost jízdy je cca 10 km.
•
Výkon motoru je dostačující pro obsazení jednou až dvěma osobami a v městském provozu. V mimoměstském provozu je nutno velmi často využívat plného výkonu motoru. Při dálničních přesunech je vozidlo již lenivé a spotřeba rychle stoupá .
Disertační práce
•
Ing. Petr Kleisner
Vzhledem k místě parkování (neudržovaná místní komunikace na kopci) by bylo vhodné mít vozidlo doplněno pohonem 4x4, který by zajistil rychlé a jisté vyjetí na místo parkování v zimních měsících.
•
Pro zvýšení cestovního komfortu podmínka instalace vytápěných sedadel.
5.5. Shrnutí získané sběrem informací a jízdních dat Během dvou let byla sbírána data a prováděna evidence vozidel dvou generací jedné rodiny. V každé generaci bylo jedno vozidlo se vznětovým motorem a výkonem přes 100kW a jedno vozidlo se zážehovým motorem o objemu 1.4 l a výkonem cca 55 kW. Evidence měsíční spotřeby prokázala relativní vyrovnanost celoroční spotřeby vozidla, kdy vliv zimních pneumatik a zimních startů je kompenzován letním během klimatizace resp. jízdou s otevřenými okny. Během sběru dat bylo též poukazováno na výhodnost pohonu 4x4, který by umožnil bezpečné zajetí k domovské stanici daného vozidla, která ve všech případech je mimo chemicky udržované silnici a je tedy v zimě obtížně dostupná. U vozidel Peugeot a Dacia byla též poukazováno na absenci vyhřívaných sedadel a zejména na absenci aktivního vyhřívání předního okna, které se ve vlhkém prostředí stále rosilo. Z výše uvedeného a z vyhodnocení informací ze sběru dat lze tak z modelové rodiny specifikovat požadavky na vozidlo s označením „druhé do rodiny.“ •
Velikost vozidla malé třídy, osazení hatchback s pěti dveřmi, s využitím otevíráním části zádi.
•
Pasivní ventilace kabiny, která by omezila náklady na provoz dané konvenční klimatizací.
•
Vyhřívání předního okna a sedadel.
•
Alespoň dočasný pohon 4x4, který umožní bezpečné dosažení cílové stanice v oblasti bez chemického ošetření vozovek v zimním období.
•
Možnost krátkodobého zvýšení výkonu pro předjížděcí manévr.
•
Pro městský provoz je vhodnější automatická převodovka zejména z hlediska komfortu přesunu.
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
•
Z hlediska financí je vhodné, aby vozidlo mělo co nejnižší zákonné pojištění vozidla a jeho provozní náklady byly na co nejnižší úrovni.
•
Pro většinu jízd je zbytečná vyšší maximální rychlost než 130 km/h.
Současně s připomínkami byla konzultována otázka alternativních pohonů vozidel, která
se odvíjí od aktuálního ekologického trendu úvah a postupného
zavádění nízko emisních a bezemisních zón v aglomeracích26.
26
Wikipedia, Nízkoemisní zóny, Wikipedia, poslední modifikace: 16.6.2012 http://cs.wikipedia.org/wiki/N%C3%ADzkoemisn%C3%AD_z%C3%B3ny
Disertační práce
Ing. Petr Kleisner
6. Základní návrh vozidla pro denní použití Na základě sběru dat, který obsahuje podrobné informace jak o vozidle se spalovacím motorem (kap. 2), tak i podrobné informace o elektromobilu (kap.4) - na obou analyzovaných vozidlech proběhlo sestavení a vylazení výpočtového modelu energetické náročnosti provozu vozidla, který bude nadále používán i při systémovém návrhu vozidla osazeného duálním hybridním pohonem E/E. Druhým a neméně důležitým vstupem pro systémový návrh je získání analýzy provozu z vozidel a poznatků jejich řidičů - viz kapitola 5. Z konfrontace obou základních vstupů dat pro systémový návrh spolu s trendem vývoje individuální dopravní přepravy možno provést takřka kompletní funkční specifikaci pohonu vozidla a požadavku na velikost vozidla. Základní kritéria, které by mělo mít ideální vozidlo s nízkými provozními náklady, pro běžný denní provoz: •
pěti dveřová karoserie, vozidlo kompaktních rozměrů
•
vozidlo, které je vybaveno hybridním pohonem, který umožňuje i bezemisní provoz na dostatečnou vzdálenost
•
vozidlo, které potřebuje doplnění energie max. 1x týdně - lépe méně často
•
ideálně pohon 4x4 alespoň v krátkodobé konfiguraci
•
vytápění a klimatizace vozidla realizována tak, aby byla takřka okamžitě k dispozici požadovaná tepelná pohoda
•
nízká energetická náročnost provozu
•
nenáročný servis
Disertační práce
Ing. Petr Kleisner
7. Základní specifikace hybridního pohonu E/E Řešený duální hybridní pohon je kombinací několika známých řešení. Vznik tohoto pohonu je podnícen snahou o vytvoření univerzálního hybridního pohonu, který využívá předností všech dosud realizovaných pohonů automobilu. Běh pohonu E/E je tedy možné provádět v následujících konfiguracích: •
spalovací motor kombinace 4x2
•
mild hybrid start stop kombinace 4x2
•
sériový hybrid kombinace 4x2
•
paralelní hybrid kombinace 4x4
•
elektromobil kombinace 4x2
Výše uvedené kombinace pohonu tak umožňují vozidlu pohybovat se s minimální energetickou náročností v jakémkoli režimu a zároveň účelně aplikovat řetězec: zdroj energie - transformace energie - převedení transformované energie na pohyb. Zároveň toto řešení výrazně snižuje nároky na instalovaný výkon jednotlivých pohonů, neboť pohonné jednotky jsou zcela efektivně využívány dle potřebného provozu. Slabší dynamické vlastnosti samotné spalovací jednotky
a elektrického
pohonu jsou efektivně kompenzovány funkcí kick down, kdy se vozidlo při razantním sešlápnutí akceleračního pedálu samo přepne do režimu pohonu 4x4 - tedy do módu paralelního hybridu.
7.1. Popis jednotlivých možných funkčních kombinací pohonu E/E 7.1.1. Spalovací motor kombinace 4x2 Tento funkční mód slouží k jízdě po dálnici a přesunu mezi obcemi. Řazení obstarává pětirychlostní sekvenční převodovka s robotizovaným řazením, která je navržena tak, aby při rychlosti 130 km/h bylo vozidlo o výpočtové hmotnosti na pátý
Disertační práce
Ing. Petr Kleisner
převodový stupeň schopno překonávat normalizované dálniční stoupání bez nežádoucího zpomalování.
7.1.2. Sériový hybridní pohon kombinace 4x2 Tento mód je určen pro aglomerační provoz mimo bezemisní centra. Spalovací motor je ve funkci generátoru elektrické energie a vozidlo nepohání. Vozidlo je poháněno čistě elektromotory. Tento pohon má výhodu nízkých emisí, protože spalovací motor běží v režimu nízké otáčkové pružnosti s ohledem na okamžitou minimální měrnou spotřebu.
7.1.3. Elektromobil kombinace 4x2
Tento mód je určen výhradně pro bezemisní provoz nejužších center měst, kdy s ohledem na cenu bateriového packu je určen dojezd na elektrický pohon na cca 30 km, což je ve většině případů dojezd dostačující. V případě vyčerpání elektrické energie se vozidlo automaticky přepne do režimu sériového hybridního pohonu.
7.1.4. Paralelní hybrid kombinace 4x4 Tento mód je určen pro situace, kdy je třeba využít maximálních dynamických vlastností vozidla "kick down" režim a zároveň je určen pro situace, kdy povětrnostní podmínky jsou natolik nepříznivé, že využití pohonu 4x4 je velmi žádoucí (náledí, sníh, hustý déšť, jízda po nezpevněném terénu). Poslední možností využití tohoto pohonu je režim sport, který navazuje na režim kick down (vozidlo zůstane stále přepnuto na režim kick down).
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
8. Komponenty duálního hybridního pohonu E/E 8.1. Spalovací motor s prodlouženou expanzí27 Primárním zdrojem pohonné energie pohonu E/E je tříválcový spalovací zážehový motor s prodlouženou rodlouženou expanzí s kompresním zdvihovým objemem cca 774 ccm a expanzním zdvihovým objemem cca 1200 ccm. Uvedený spalovací zážehový motor využívá Atkinsonova cyklu viz obr. 8 -1 , pro aplikaci v Audreao ově motoru. Motor s prodlouženou expanzní byl pro účely účely práce vybrán pro svoji vyšší účinnost, než jaké dosahuje konvenční spalovací motor, nižší měrnou spotřebu a samozřejmě také pro příznivé průběhy výkonu a točivého momentu, což je výhodné pro kombinaci s elektromotory v hybridním pohonu.
obr. 8-1 Atkinsonův cyklus
28
Pro návrh motoru byla se svolením pana Prof.Ing. Václava Píštěka, DrSc, přejata pístní a kliková skupina z diplomové práce pana Bc. Stanislava Tokaře "Mechanismus
27
použití žití informací a další zpracování dat z diplomové práce [27] bylo ylo písemně uděleno prof. Ing. Václavem Píštěkem, DrSc. viz příloha 12 28
[27] s.9
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
jednoválcového zážehového motoru s prodlouženou expanzí." Tento mechanismus využívá pístu a ojnice ze sériového motoru 1.2 HTP, který je používán ve vozidle Škoda Fabia. Během návrhu víceválcového motoru byly zvažovány následující varianty dvouválcová, tříválcová a čtyřválcová. Jako hlavní energetická jednotka pohonu E/E byla vybrána varianta motoru se třemi válci, zejména pro kombinaci dostatečného výkonu při nízké hmotnosti.
obr. 8-2 řez Audreaovým motorem
29
[27] s.16
29
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
obr.8-4 3D vizualizace klikového mechanismu
30
Teoretický výpočet oběhu Audreaova motoru Vstupní hodnoty: Sací teplota: 293,15 K Sací tlak: 101 325 Pa Výhřevnost paliva: 46 400 kJ/kg31 Měrná hmotnost paliva: 750 kg/m3 Pracovní látka: 287 J.kg-1.K-1 Stupeň plnění: 1,2 Stupeň zvýšení tlaku: 4 Vrtání: 76,5mm
30
31
[27], s.35
Wikipedia, Benzín, www.wikipedia.org, poslední aktualizace: 20.6.2012, http://cs.wikipedia.org/wiki/Benz%C3%ADn#Energetick.C3.BD_obsah_.28v.C3.BDh.C5.99evnost.29
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce Délky jednotlivých pracovních zdvihů32: Délka sacího zdvihu Délka kompresního zdvihu Délka expanzního zdvihu Délka výfukového zdvihu
50,17 mm 47,12 mm 72,70 mm 75,76 mm
tabulka 8-I Parametrizace zdvihů Audreaova motoru Maximální otáčky: 6000 min-1 Teoretický výpočet vychází z Atkinsonova oběhu viz obr. 8-1. Vypočítané parametry jednotlivých bodů Atkinsonova oběhu :
32
[27], kap. 2.2
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Vypočtené parametry motoru: kompresní poměr: /0 =
10 244,82 = = 8,64 12,3 28,33
/2 =
14,5 376,56 = = 13,29 16 28,34
expanzní poměr:
teoretická účinnost motoru: 78 = 1 −
1
/2: 0
= 1−
1 13,290,6
0
= 0,64
objem válce motoru při sací fázi cyklu: 1; = 12,3 + 1=; = 28,34 + >
3,14 ∙ 7,652 ∙ 5,017? = 258,82@@ 4
hmotnostní průtok nasávané směsi při maximálních otáčkách (6000 min-1): ;
=
A0 ∙ B3 ∙ 1; C & 0,1 ∙ 105 ∙ B3 ∙ 258,82 ∙ 10 5 C 6000 ∙ = ∙ = 0,046*+E/F. % ∙ D0 2 ∙ 60 287 ∙ 293,15 120
tepelný průtok: Gř
=
;
∙ @HH=IJ
K
∙ BD3 − D2 C +
;
∙ @GH=IJ
K
∙ BD6 − D3 C =
= 0,046 ∙ 717,5 ∙ B2778,16 − 694,54C + 0,046 ∙ 1004,5 ∙ B4240 − 2778,16C = 94749,2*L. teoretický výkon při maximálních otáčkách: M = 78 ∙
Gř
= 0,64 ∙ 94,749,2 = 57797*L.
teoretický točivý moment: N=
M 57797 = = 92*P. O 2 ∙ 3,14 ∙ 100
.
výpočet teoretické spotřeby paliva: G#R
=
Gř
S
=
94749,2 ∙ 3600 = 7,35*+E/ℎ. ⇒ 9,8*U/ℎ. 46400000
60
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Na základně výše uvedeného analytického výpočtu byly vytvořeny křivky teoretického výkonu a točivého momentu viz graf 8 - A.
70,00
100,00 90,00
60,00
80,00
Výkon [kW]
50,00
70,00 60,00
40,00
Točivý moment [Nm]
Průběhy teoretického výkonu a točivého momentu
50,00 30,00
40,00 30,00
20,00
Výkon
20,00 10,00
10,00
0,00
Točivý moment
0,00 0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
Otáčky motoru [1/min]
graf 8 -A teoretické průběhy výkonu a točivého momentu řešeného spalovacího motoru
Vypočtená vnější otáčková charakteristika reálného motoru byla získána z matematického modelu pomocí metody nejmenších čtverců na základě statistického získání dat, kdy byly porovnávány průběhy teoretického výkonu a točivého momentu s naměřenými hodnotami z dynamometru u vozidel uvedených v předchozích kapitolách této práce tedy u vozidel: Peugeot 106, Škoda Octavia II, Peugeot 207, Škoda Superb II a Dacia Sandero
33
. Krom vozidel uvedených v této práci byly porovnány charakteristiky
vozidla Toyota RAV4, Toyota Avensis a motocyklů Jawa 350/640, Kawasaki W650. U výše uvedených vozidel byla provedena i zpětná přepočtová kontrola, kdy se veškeré přepočtové parametry vešly do chyby ±7 %. Přestože maximální rozptyl chyby 14 % připomíná spíše metodu odhadu, je tato metoda velmi přesná, protože výpočtové body jsou následně prokládány křivkou, která svojí konvengercí snižuje chybu na přijatelnou mez. Vzhledem k praktickému ověření této metody při úpravách motorů pro soutěže historických a klasických vozidel na přírodních okruzích je možné tuto metodu prohlásit 33
Ukázková část výpočtu pro vybrané body vnějších otáčkových charakteristik je uvedena v příloze 11
61
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
pro účely této práce za dostatečně přesnou a vyhovující. Takto zjištěná vnější otáčková charakteristika motoru je zobrazena v grafu 8-B. Srovnání se zobrazením rozdílností mezi teoretickým a vypočteným průběhem je zobrazeno v grafu 8-C srovnání teoretické a vypočtené vnější otáčkové charakteristiky motoru. Předpokládaná vnější otáčková charakteristika řešeného spalovacího motoru:
45,00
100,00
40,00
90,00
35,00
80,00 70,00 60,00
25,00
50,00
20,00
40,00
15,00
30,00
10,00
20,00
5,00
10,00
0,00
0,00 0
2000
4000 Otáčky [1/min]
6000
8000
Výkon
Točivý moment
graf 8 -B vypočtená vnější otáčková charakteristika řešeného spalovacího motoru
Srovnání teoretické a vypočtené vnější otáčkové charakteristiky motoru 70,00
100,00
Teoret výkon
80,00
50,00
70,00 60,00
40,00
50,00 30,00
40,00 30,00
20,00
20,00 10,00
10,00 0,00
0,00 0
2000
4000
6000
Otáčky [1/min]
62
8000
Točivý moment [Nm]
90,00
60,00
Výkon [kW]
Výkon [kW]
30,00
Točivý moment [Nm]
Vnější otáčková charakteristika motoru
Skut Výkon
Teoret moment
Skutečný moment
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
graf 8 -C srovnání teoretické a vypočtené vnější otáčkové charakteristiky řešeného spalovacího motoru
Vyhodnocení pružnosti spalovací pohonné jednotky pohonu E/E momentová pružnost:
=
= 0,26
otáčková pružnost:
=
= 1,69
celková pružnost:
=
∙
63
= 0,44
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
8.2. Elektrický motor Elektrický pohonný agregát, pro systémový návrh duálního hybridního pohonu E/E, byl vybrán z produkce anglické firmy Greenmotorsport. Pro zajištění dostatečného výkonu pro osazení řešeného pohonu do vozidla s pohotovostní hmotností cca 1250kg, je tedy třeba provést zdvojení motorové jednotky viz. graf 8-D. Parametry motoru34: Stálý výkon: 18 KW Výkon při přetížení do 5 min: 27.5KW Točivý moment: 45,5 NM při 4000 1/min nebo 50NM při 3800 1/min Hmotnost motoru bez příslušenství: 15,54kg Pracovní napětí motoru: 48-84 V
obr. 8-4 vnější otáčkové charakteristiky elektromotoru z produkce firmy Greenmotorsport35
34
Float G., www.greenmotorsport.com, www.greenmotorsport.com, r. 2012, www.greenmotorsport.com
35
Float G., www.greenmotorsport.com, www.greenmotorsport.com, r. 2012 http://www.greenmotorsport.com/green_motorsport/products_and_services/3,1,388,17,12958.html
64
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Výpočtový model pohonné elektrické jednotky má tedy následující průběhy výkonu a točivého momentu:
Parametry instalované elektrické pohonné jednotky pohonu E/E 35
100 90
30
Výkon [kW]
25
70 60
20
50 15
40 30
10
Točivý moment [N.m]
80
Výkon Točivý moment
20 5
10
0
0 0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Otáčky motoru [1/min]
graf 8 -D vnější otáčkové charakteristiky instalované elektrické pohonné jednotky pohonu E/E
Výhodou použití uvedeného typu elektromotorů je vysoká podobnost průběhů křivek točivého momentu a výkonu s průběhy, kterými disponují spalovací motory. Tato podobnost usnadňuje nejen dimenzování převodů, ale zároveň snižuje nároky na nadřazené řízení pohonu, které má za úkol např. řazení, přepínání mezi jednotlivými možnými jízdními režimy pohonu atd. Využití dvou motorů na jedné nápravě je zároveň výhodné z hlediska celkové kompaktnosti celé pohonné skupiny módu elektromobilu.
65
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
8.3. Převodovka Převody v duálním hybridním pohonu E/E jsou řešeny pomocí tří identických postupně řazených převodovek se synchronizovaným řazením. Rozmístění převodovek je následující – první převodovka je klasickým způsobem zařazena za spalovací motor nad přední nápravou vozidla s tím rozdílem, že spojka je umístěna na výstupní hřídeli. Umístění převodovek elektrické části duálního hybridního systému je provedeno separátně pro každé kolo zadní nápravy zvlášť. Toto na první pohled komplikované řešení rozmístění převodovek má, kromě velkého negativa – cenové náročnosti realizace, zásadní vliv na efektivitu a velkou funkční modulárnost duálního hybridního pohonu E/E. Velkým přínosem je využití synchronizovaného elektromechanického řazení všech tří převodovek v kombinaci s umístěním spojky na výstupní hřídeli převodovky. V praxi tato kombinace umožňuje libovolné připojení a odpojení jakékoli části pohonu systémem clutch drive (viz kap. 8.4.2.) tak, že je vždy s maximální efektivitou využita pohonná energie dle současné potřeby vozidla. V praxi tak probíhá adekvátní řazení i na převodovkách, které momentálně aktivně nepracují. Tento způsob řazení umožňuje nasazení momentálně odpojené části duálního hybridního pohonu E/E se zpožděním, které je ovlivněno jen časem, který je potřeba k sepnutí ovládácí spojky.
I. i
II. 3,778
III. 2,323
IV. 1,608
V 1,227
R 1
SP 4,15
3,389
tabulka 8-II rozložení převodových stupňů převodovek pohonu E/E
8.3.1. Konstrukční schéma převodovky Převodovka je z hlediska velikosti zástavby řešena motocyklovým způsobem – jde tedy o postupně řazenou dvou hřídelovou převodovku, která umožňuje řadícímu mechanismu přesun řadících ozubených kol jak na hlavní, tak i předlohové hřídeli viz obr. 8-5. Pozn. Na obrázcích 8-5 s 8-6 je zakresleno rozložení převodů pro pohyb vpřed, zpětný chod je řešen klasickým způsobem - vložením protiběžného kola mezi hřídele.
66
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
obr. 8-5 složení hřídelí převodovky36 Kusovník hřídelí převodovky:
36
IFA, Provozní návod motocyklů a katalog náhradních dílů MZ150 a 250 ETZ, IFA mobile DDR 1988
67
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
8.3.2. Konstrukční schéma řadícího mechanismu převodovky Tak jako konstrukce celé předovky i konstrukce řazení je řešena dle motocyklové převodovky. Schéma složení řadícího mechanismu je zobrazeno na obr. 8 - 6. Řazení je realizováno robotizovaným způsobem pomocí lineárního elektromotoru, který provádí postupné zasouvání rychlostního stupně. Řazení ve vozidle je realizováno buď automaticky nebo elektronickými pádly pod volantem. Řazení probíhá na všech převodovkách současně, kdy převodovky části pohonu, který právě není používán jsou rozepnuty více kap. 8.4.2.
obr. 8-6 řadící mechanismus převodovky37
37
IFA, Provozní návod motocyklů a katalog náhradních dílů MZ150 a 250 ETZ, IFA mobile DDR 1988
68
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce Kusovník řazení převodovky poz.1 - pojistka
poz. 9 vidlička řazení 1. a 2. rychlost
poz.2 - vratná pružina
poz. 10 - vidlička řazení 3. rychlost
poz.3 - hřídel řazení
poz.11 - vidlička řazení 4. a 5. rychlost
poz. 4 - zajišťovací páka
poz. 12 - čep vidliček řazení
poz. 5 - palec řazení
poz. 13 - izolační podložka
poz.6 - pojistka
poz. 14 - zajišťovací šroub
poz. 7 - pružina poz. 8 - řadící váleček
8.4. Spojka Spojka je umístěna na výstupní hřídeli převodovky. Výhodou tohoto řešení je možnost odpojení kompletního hnacího ústrojí při využití jiného jízdního režimu z rodiny jízdních režimů duálního hybridního pohonu E/E. Možnost kompletního odpojení jednotlivých částí duálního hybridního pohonu E/E je velmi výhodné z hlediska snížení jízdních odporů při nevyužívání dané části pohonného systému. Při měření spotřeby elektrické energie elektromobilu EHR 10 se prokázalo, že pro celkový dojezd je ve většině případů výhodnější využít kinetickou energii pro dojezd volnoběhem než zahájit rekuperaci.
8.4.1. Konstrukce spojky Spojka je řešena jako jednolamelová suchá spojka s přítlačnou talířovou pružinou (viz obr. 8-7). Pro danou požadovanou únosnost spojky je možné aplikovat běžnou sestavu spojky, která je používána ve vozidlech Peugeot 106, jde o spojku firmy LUK katalogového čísla: LK 618107600 - spojka byla vybrána dle níže uvedeného výpočtu únosnosti spojky. Spojka je konstrukčně uložena až na výstupní hřídeli převodovky (toto patentem chráněné řešení aplikoval jako první Ing. František Pudil na závodním
69
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
motocyklu Čz typ 860 v roce 197138), což je výhodné pro snížení odporů v případě odpojení pohonu dané nápravy a nezbytné pro správnou funkci systému clutch drive. Výpočet únosnosti spojky: V; =
2∙ W Z[ X ∙Y∙
\]^_
=
2((
2∙(,32∙6(((
= 78 *
.
39
kde: Mv - maximální točivý moment pohonné jednotky - 100 N.m np - počet třecích ploch spojky - 2 f - součinitel tření spojkové lamely - 0,32 Fa - osová přítlačná síla - 4000 N sinα - úhel třecího kužele - 90o požadovaný koeficient bezpečnosti - 1,75 požadovaný střední průměr spojkové lamely s akceptování koeficientu bezpečnosti 1,75 136 mm →je zvolena spojka o průměru 180 mm
obr. 8-7 jednolamelová spojka s talířovou přítlačnou pružinou
40
38
Wohlmuth J., Rychlá řidítka,GRADA Publishing a.s., Praha 2010, kap. Čz*Ing.František Pudil str.28
39
[14], s.258
70
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
8.4.2. Systém Clutch drive Systém Clutch drive pracuje obdobným systémem, jaký je znám z robotizované převodovky DSG - viz obr. 8-8. Při zařazení jakéhokoli převodového stupně proběhne toto přeřazení na všech třech převodovkách, které jsou obsaženy v pohonu E/E - nadřazené řízení pak dle zvoleného funkčního módu rozhodne, která ze spojek bude po přeřazení opětovně sepnuta, či zda zůstane rozepnuta. Toto řešení je velmi výhodné vzhledem k přepínání mezi jednotlivými módy pohonu a při přepínání, či připojování/odpojování hnacích náprav.
obr 8-8 Schéma robotizované převodovky DSG
40
41
AWEB develo s.r.o.,Spojkový set, http://www.rajautodilu.cz, r 2012, http://www.rajautodilu.cz/Spojkovesady/ 41
Sajdl J., Převodovka DSG, http://cs.autolexicon.net, r .2011, http://cs.autolexicon.net/articles/prevodovka-dsg/
71
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
8.5. Diferenciály 8.5.1. Diferenciál přední nápravy Vzhledem k aplikaci klasického spalovacího motoru s převodovým ústrojím a spojkou nad přední nápravou je přední diferenciál řešen pomocí klasického mechanického diferenciálu viz. obr. 8-9.
obr. 8-9 diferenciál přední nápravy42
8.5.2. Diferenciál zadní nápravy Koncepční rozložení jednotlivých částí duálního hybridního pohonu E/E je řešeno tak, že mezi levou a pravou částí elektrické části duálního hybridního pohonu není realizována mechanická vazba.
42
http://www.4wheeloffroad.com
72
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce Funkční schéma elektronického diferenciálu:
obr 8-10 - schéma elektronického diferenciálu Uvedený elektronický diferenciál byl odzkoušen na experimentálním funkčním modelu elektrické motokáry EleQuad viz obr. 8-11, která byl zkonstruována na Katedře konstruování, Fakultě strojní, ZČU v Plzni.
obr. 8-11 experimentální elektrická motokára EleQuad
Uvedený elektronický diferenciál umožňuje jak lineární tak i logaritmické dělení hnací síly mezi jednotlivá kola. Při aplikaci v duálním hybridním pohonu E/E probíhá 73
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
regulace následujícím způsobem: v případě natočení volantu je snímací elektronikou vyhodnoceno natočení kol. Informace je předána do nadřazeného řízení pohonu, které ovládá měniče jednotlivých motorů. Nadřazené řízení dá příkaz měniči na vnitřní straně zatáčky k omezení výstupního proudu pro příslušný elektromotor zatímco měniči na vnější straně vozidla dá příkaz ke zvýšení výstupního proudu pro příslušný elektromotor. Při regulaci pohybu vozidla v zatáčce platí vztah:
Fk přímý směr jízdy= Fk vnitřního kolo při jízdě zatáčkou+Fk vnějšího kola při jízdě zatáčkou 8.5.3. Mezinápravový diferenciál Při duálně hybridním módu 4x4 je nutno v zatáčkách řešit poměrné rozložení celkové hnací síly vozidla Fkc mezi přední a zadní nápravu. Zatímco distribuce mezi jednotlivými koly každé
jednotlivé nápravy je u přední nápravy řešena klasickýcm
mechanickýcm diferenciálem, u zadní nápravy elektronickým diferenciálem. Funkci mezinápravového diferenciálu v tomto případě zastává systém Clutch drive s pomocí standardního programu ESP, který omezuje poměry celkové hnací síly na jednotlivá kola tak, aby se vozidlo chovalo do krajních situací neutrálně.
74
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
8.6. Systém tepelné pohody kabiny posádky Po pohonné jednotce je druhou energeticky nejnáročnější komponentou každého vozidla systém tepelné pohody kabiny posádky. Energetická náročnost tohoto systému je zejména v režimu chlazení tak vysoká, že se výrazným způsobem promítá do celkové energetické náročnosti provozu - u vozidel se spalovacím motorem jde o ovlivnění spotřeby pohonných hmot o 0,5 - 1 l paliva na 100 km43. Tento fakt tedy řadí systém tepelné pohody kabiny posádky mezi základní komponenty řešeného duálního hybridního pohonu. Základním předpokladem, který umožní vozidlům s nízkou energetickou náročností provozu zachování teplotního komfortu je schopnost pasivního a zároveň kontinuálního běhu systému tepelné pohody kabiny posádky. Tento fakt znamená nutnost instalace autonomního zdroje energie pro uvedený systém. Při uvážení možností, které připadají v úvahu jako autonomní zdroj energie, je jednoznačným vítězem fotovoltaický článek, který je možno umístit do střechy vozidla a který je schopen svými parametry zajistit nucený oběh vzduchu uvnitř vozidla, kterým je podpořena funkce jednotlivých pasivních a aktivních prvků zajištujících tepelnou pohodu kabiny posádky. Uvedený autonomní zdroj energie zároveň zajistí kontinuální běh systému tepelné pohody kabiny posádky, který svým stálým během snižuje požadavky na instalovaný výkon zejména klimatizační jednotky, která musí být v případě konvenčních vozidel dimenzována na velký výkon, neboť je požadováno rychlé vyklimatizování kabiny posádky na požadovanou teplotu. Při uvažovaném řešení systému tepelné pohody kabiny posádky jsou tedy předpokládány funkce topení i ventilace. Topení je realizováno klasickým vodním okruhem, který využívá odpadního tepla z motorů. Podpůrnými systémy jsou cílené vytápění sedadel a věnce volantu. Ventilační funkce potom využívá fotovoltaického panelu jako zdroje, ventilátorů zajišťujících nucený oběh vzduchu kabinou posádky, cílenou ventilaci sedadel, tepelné odstínění kabiny posádky a samozřejmě je možno využít klasické otevření oken.
43
Vořechovský D., ADAC: Jak se na spotřebě paliva projeví zapnutá klimatizace?, www.auto.cz, 15.6.2007, http://www.auto.cz/adac-jak-se-na-spotrebe-paliva-projevi-zapnuta-klimatizace-10969
75
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
8.6.1. Fotovoltaický článek Základním energetickým zdrojem systému tepelné pohody kabiny posádky je fotovoltaický článek, který je instalován ve střeše vozidla o ploše 1 m2. Běžně dostupné fotovoltaické články dosahují následujících parametrů: 17,5V/75W na m2 – výkon předpokládaného fotovoltaického článku je přepočítán z produktu firmy Ges pod katalogovým číslem GES08102651 zdroj ges.cz. Dimenzování výkonu fotovoltaického článku bylo provedeno přepočtem, u kterého bylo využitu předpokladu, že pro dlouhodobé získání tepelné pohody v rodinných domech (ať u při režimu topení nebo při režimu chlazení) je doporučován 1kW výkonu zařízení na 20 m3 vzduchu. Protože je předpokládána kabina posádky s maximálním objemem 2 m3 vzduchu je zvolený výkon 100 W dosažených z využité plochy střechy 1,25 m2 dostačující.
8.6.2. Pasivní ventilační systém vozidla Pro možnost realizace pasivního ventilačního systému, jehož funkce je založena na bázi pasivních prvků s podporou aktivních komponent, které budou z velké části energeticky provozovány fotovoltaickým článkem je nutno dodržet několik následujících základních zásad: •
Vozidlo je nutno již v základu lakovat inteligentní barvou, která omezí ohřátí vozidla.
•
Vozidlo je nutno vybavit zasklením, které omezí ohřátí vozidla (siglasol) - viz obr 812.
•
Instalace nuceného ventilačního okruhu do vozidla, který je poháněn fotovoltaickým článkem a realizován úspornými výkonnými ventilátory.
•
Instalace tepelné izolace střechy.
76
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
obr. 8-12 sklo siglasol44
Parametry ventilátoru45 140 mm ventilátor NF-P14-FLX
obr. 8-13 ventilátor NP-P14-FLX
Rozměr 140x140x25 mm Rychlost otáček (+/- 10%) 1200 RPM - průtok vzduchu 110,3 m3/h Rychlost otáček s L.N.A. (+/- 10%) 900 RPM - průtok vzduchu s L.N.A. 83,7 m3/h 44
[28],s.28
45
redakce Alza.cz, 140mm ventilátor NF-P14-FLX, www.alza.cz, r.2012, http://www.alza.cz/noctua-nf-p14flx-d147593.htm
77
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Rychlost otáček s U.L.N.A. (+/- 10%) 750 RPM Průtok vzduchu 110,3 m3/h Průtok vzduchu s L.N.A. 83,7 m3/h Průtok vzduchu s U.L.N.A. 71,2 m3/h Hlučnost 19,6 dB(A) Hlučnost s L.N.A. 13,2 dB(A) Hlučnost s U.L.N.A. 10,1 dB(A) Statický tlak 1,29 mm H2O Statický tlak s L.N.A. 0,77 mm H2O Statický tlak s U.L.N.A. 0,53 mm H2O Vstupní výkon 1,2 W Vstupní proud 0,1 A Napětí 12 V
Ventilace a vytápění sedadla •
ventilace - dvoustupňová regulace – s příkonem 5 a 9W
•
vyhřívání – dvoustupňová regulace 15 – 35 W s koncentrací výkonu v oblasti bederní páteře
Pro sedadla viz obr. 8-14 je možné aktivovat funkci předehřevu o výkonu 15W před nastoupením do vozidla - tato funkce se automaticky vypne po 15 minutách provozu
78
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
obr. 8-14 - schematické rozložení ventilace a vytápění sedáku sedadla
•
modře je vyznačen ventilační systém sedadla
•
červeně je rámována vyhřívaná část sedadla
46
Vyhřívání věnce volantu Pro zvýšení tepelné pohody rukou při zimní manipulaci s volantem je instalován do věnce volantu topný článek o výkonu 10W. Doba spuštění ohřevu věnce volantu je max 15 min.
V případě prodloužení doby ohřevu věnce volantu jde pocit držení volantu
kvalifikovat pocitovým stupněm 5 dle grafu 8-E
46
Conrad, Potah sedla od fy WAECO, www.conrad.cz , r.2012
79
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
8.6.3. Určení tepelné pohody cestujících Pro správné vnímání tepelné pohody cestujícími je nutno definovat citlivost jednotlivých částí lidského těla k okolní teplotě. Jedním z možných přístupů, který ve své diplomové práci uvedl Bc. Petr Viščor [2]47 je rozdělení lidského těla na 16 jednotlivých zón - viz obr. 8-15. Pro každou z těchto zón je následně v grafu letních a zimních zón tepelného komfortu viz graf 8-E přiřazeno teplotní spektrum, které vyjadřuje pocity od "velmi chladna" přes "neutrální oblast" až do pocitu "horko". Toto vnímání je u pasivního klimatizačního systému velmi důležité, neboť správným směřováním tepelného či chladícího výkonu je možno docílit žádaného tepelného komfortu při maximální úspoře investované energie do klimatizačního systému.
obr. 8-15 - rozdělení těla člověka na zóny dle vnímání pocitu tepla
47
48
použití informací a další zpracování dat z diplomové práce [2] bylo písemně uděleno Ing. Janem Fišerem, Ph.D. viz příloha 13
48
[28],s.15
80
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
a – sedák sedadla
k – pravé předloktí
b – opěradlo sedadla
l – levé předloktí
c – pravé chodidlo
m – pravé nadloktí
d – levé chodidlo
n – levé nadloktí
e – pravé lýtko
o – část zad v okolí trapézových svalů
f – levé lýtko
p – hruď
g – pravé stehno
q – obličej
h – levé stehno
r – temeno hlavy
i – pravá ruka
s – celé tělo
j – levá ruka Vnímání tepla: 1 - velmi chladno 2 – přijatelné chladno 3 – neutrální oblast 4 – přijatelné teplo 5 - horko graf 8 -E hodnocení tepelné pohody, jak je vnímána lidským tělem49
49
[28],s.16
81
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Dle grafu 8 - E je nejvhodnější na palubě vozidla udržovat teplotu, která ve stupnici vnímání tepla odpovídá hodnotě 3 - neutrální oblast. Tento stav vyhovuje většině společnosti. Určení procentuální nespokojenosti pasažérů s teplotou na palubě vozidla je možno provést pomocí indexu PPD, který je závislý na předpokládaném stupni tepelné pohody (PMV). Závislost mezi indexem PPD a předpokládaným stupněm tepelné pohody (PMV) je zobrazena v grafu 8-F. Stupeň 0 - tedy neutrálně v tomto případě odpovídá teplotě, která byla definována v grafu 8-E vnímáním tepla v neutrální oblasti. Předpokládaný stupeň tepelné pohody lze hodnotit dle následujícího kritéria: +3 – horko +2 – teplo +1 – mírně teplo 0 – neutrálně -1 – mírně chladno -2 – chladno -3 - zima
50
graf 8-F vyhodnocení počtu nespokojených osob s tepelnou pohodou
Informace získané z grafů 8-E a 8-F potvrzují předpoklad: v nezávislosti na ročním období je pro kabinu cestujících optimální tepelná pohoda v rozsahu 20-22 oC. 50
[28],s.13
82
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Úkolem pasivního systému tepelné pohody je tedy svým dlouhodobým působením pracovat tak, aby při vstupu cestujících do vozidla byla teplota kabiny cestujících co nejblíže teplotě odpovídající teplotě optimální tepelné pohody. Jak však graf 8-E ukazuje není této teploty dosáhnout v celém prostoru kabiny vozidla - mnohem efektivnější je soustředit se na vybrané partie lidského těla jakou jsou ruce, oblast zad a podkolenní oblast nohou.
8.6.4. Distribuce a cirkulace vzduchu ovlivněná pasivním systémem tepelné pohody Při porovnání výkonu instalovaného fotovoltaického článku ve střeše vozidla s výkonem kompresoru klimatizace osobního automobilu (cca 5kW) nelze předpokládat, že při použití jakéhokoli samotného oběhu vzduchu bude vozidlo vyventilováno na požadovanou teplotu, která je definována v grafe 8-E a 8-F. Pro usnadnění práce nuceného ventilačního oběhu je nutno vozidlo dovybavit dalšími prvky pasivního ventilačního systému, které byly specifikovány v kapitole 8.6.2. - tedy o vhodný lak, zateplení částí karoserie vozidla a zasklení vozidla selektivním sklem. Simulací obdobných podmínek ohřátí vozidla se ve své práci zabýval i Bc. Petr Viščor z VUT v Brně, který pro simulaci ohřátí vozidla použil SW Theseus. Zjištěný rozdíl nárůstu teploty interiéru a exteriéru vozidla bez jakékoli úpravy v černé bavě (varianta A) a upraveným vozidlem (variant F) po hodině ohřívání slunečním osvitem je zobrazen v grafu 8-G resp. 8-H. Histogram porovnání obou verzí vozidla je zobrazen na obr. 8-16. Během výpočtu byl zjištěn rozdíl teploty o 7,5oC v neprospěch vozidla bez úprav.
83
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
graf 8-G - srovnání vnitřní teploty vozidel bez úprav a z úpravami pro získání tepelné pohody ve vozidle51
52
graf 8-H - srovnání vnější vozidel bez úprav a z úpravami pro získání tepelné pohody ve vozidle Vysvětlivky:
Případ A - vozidlo bez úprav Případ F - vozidlo s následujícími úpravami: změna laku automobilu, tepelná izolace střechy automobilu, aktivní provětrávání interiéru automobilu, selektivní zasklení vozidla.
51 52
[28],s.51 [28],s.51
84
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
obr 8 - 16 porovnání výsledků simulace teploty automobilu - případ A horní část obr.; případ F dolní část 53 obr.
Jak je z obr. 8-16 patrno, výkonnost samotné pasivní ventilace je možné zvýšit instalací dalších ventilátorů do sedáků sedadel s průchodností do vzduchu do opěradel sedadel což, v porovnání s rozložením pocitu tepelné pohody, vede ke snazšímu dosažení požadovaného stupně tepelné pohody. Tento pocit je ještě možno podpořit umístěním ventilátoru i do prostoru nohou, kde je dle grafu 8-E nutno dosáhnout teploty 20 – 24oC. Další možností snížení ohřátí interiéru je volba světlých barev interiéru včetně světlé barvy přístrojové desky - tato úprava však přináší riziko nežádoucího zašpinění interiéru.
53
[28],s.52
85
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
8.6.5. Energetické hodnocení systému tepelné pohody v pohonu E/E Mód Chlazení: výkon fotovoltaického článku: 100W příkon chlazení sedadel: 36W příkon chlazení prostoru nohou: 5W příkon chlazení prostoru palubní desky: 5W příkon chlazení prostoru vozidla: 5W instalovaný ventilační příkon: 51W Mód topení: instalovaný výkon sedadel: 60 W – energetická náročnost předehřívacího cyklu 15Wh instalovaný výkon volantu: 10 W
8.6.6. Zhodnocení systému tepelné pohody kabiny posádky Při experimentálním provozu vozidla EHR 10 byl prakticky ověřen tepelný štít, který se skládal z laku s minimální tepelnou absorpcí a s tepelnou izolací bateriového prostoru. Tímto systémem byl vyřešen problém stoupající teploty bateriového prostoru. Nucená ventilace napájeným fotovoltaickým článkem byla autorem ověřena při provozu vozidla Škoda Superb II, kde však byl výkon ventilátorů subjektivně hodnocen jako poddimenzovaný. Simulace citovaná z diplomové práce Bc. Petra Viščora ukazuje další kritická místa, na která je třeba se soustředit, což je možné řešit sedadly s autonomními systémy ventilace a vytápění, které lze hodnotit velmi kladně – autor práce se s nimi setkal při testování vozidla AUDI A6 a subjektivně je lze hodnotit jako nejefektivnější a nejjednodušší komponentu pro dosažení maximálního stupně tepelné pohody při vysokých venkovních teplotách. Dalšími prvky, kterými lze ovlivnit teplotu uvnitř vozidla je volba vhodné barvy interiéru vozidla. V případě získání pocitu tepelné pohody v chladu je dle autora práce nejefektivnější vytápění sedadel, se kterým má autor dlouhodobé zkušenosti z vozidla Škoda Octavia, vytápění volantu - zde auto práce získal zkušenost při jízdě na motocyklu chladném počasí, kdy vytápění rukojetí 15W odporovými tělísky je dostatečné i pro prohřátí rukou přes motocyklové rukavice - dlouhodobější (nad 5min) tepelný výkon rukojetí 25W už lze označit stupněm 5 - horko dle grafu 8-E. Systém tepelné pohody lze tedy hodnotit následujícím způsobem. Pro efektivní pasivní ventilačně topící systém jsou klíčovým prvkem autonomní ventilačně vytápěná sedadla, která jsou 86
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
doplněna vhodným lakem vozidla, selektivním prosklením vozidla a tepelnou izolací vozidla. Základní myšlenku pasivního systému tepelné pohody pak lze definovat: „Není nutné klimatizovat či vytápět celý prostor vozidla, je nutné vytvořit tepelnou pohodu pasažérům v okolí těla dle grafu 8-E, který ukazuje, které části těla jsou nejnáchylnější na přehřátí nebo naopak na podchlazení.“
8.7. Generátor pro mód sériového hybridu54 Pro funkci generátoru byl zvolen stejnosměrný stroj s permanentními magnety v režimu generátoru . Stálý výkon motoru je 11500 W, tedy při napětí 72V je schopen dodávat 160 A při 2800 ot/min. Hmotnost stroje je 20 kg. Krátkodobá přetížitelnost odběru je 400A po dobu jedné minuty. Rozměry jsou zobrazeny na obr. 8-17, průběhy parametrů generátoru jsou zobrazeny v grafu 8-I.
obr.8-17 rozměrový výkres generátoru módu sériového hybridu
54
EV Drives, Mars ME-1003 Motor, www.evdrives.com, r.2012, http://evdrives.com/mars_motor_me1003.html
87
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
graf. 8-I charakteristické průběhy parametrů generátoru
88
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
9. Vnější charakteristiky vozidla osazeného pohonem E/E Pro modelování, výpočet parametrů a výpočet spotřeby bylo jako ekvivalentní vozidlo zvoleno vozidlo s vnějšími tvary a parametry shodné s vozidlem Škoda Fabia 1. generace. Je nutno podotknout, že shoda vozidla s duálním hybridním systémem E/E a vozidlem Škoda Fabia 1. generace je pouze pro účely této práce a shoda je pouze a výhradně tvarová. Pro reálnou aplikaci vozidla s duálním hybridním systémem je k celkové konstrukci vozidla nutno přistupovat stejnou metodikou, která již byla úspěšně aplikována při projektování, konstruování a realizování elektromobilu EHR10. Tvarová shodnost počítaného vozidla s vozidlem Škoda Fabia 1. generace je naopak pro účely této práce výhodná, jelikož v případě vypočtených parametrů a energetické náročnosti provozu je možno konfrontovat a porovnat získané výsledky se širokou základnou skutečných hodnot získaných dlouhodobým provozem vozidla Škoda Fabia 1. generace v reálném provozu.
obr. 9-1 Základní systémový mode vozidla osazeného pohonem E/E získaný z volně přístupného úložiště komunity Google SketchUp
89
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
9.1 Výpočtové parametry vozidla vybaveného duálním hybridním pohonem E/E Pro výpočet vnějších charakteristik a teoretické spotřeby energie vozidla osazeného duálním hybridním pohonem E/E je uvažováno malé vozidlo (referenčně ekvivalent vozidla Škoda Fabia 1. generace), které je svojí velikostí vhodné pro městský a příměstský provoz.
Výpočet hmotnosti Výpočet pohotovostní hmotnosti vozidla je proveden sumací běžných komponent vozidel stejných velikostí, kdy do výsledné hmotnosti komponenty pro použití v uvažovaném vozidle osazeném duálním hybridním pohonem E/E je hmotnost původní komponenty korigována optimalizací komponenty, která se projeví změnou hmotnosti (např. nahrazení komponenty z ocele - 7800 kg/m3 za komponentu z hliníku - 2600 kg/m3).
obr 9-2 materiálové složení skeletu karoserie Škoda Fabia II
55
Při optimalizaci je důsledně dbáno, aby tato optimalizace nebyla na úkor bezpečnosti přepravovaných osob, či jiných účastníků silničního provozu. Pro ilustraci je na obr. 9-2 zobrazen skelet karoserie vozidla Škoda Fabia 2. generace, kde je barevně rozděleno rozložení nosníků dle meze kluzu: zelenomodrá barva - běžné hlubokotažné
55
Schwarz J., Automobily Škoda FABIA II, Grada Publishing, a.s., Praha 2008, ISBN 978-80-247-2155-2, s.38
90
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
plechy 0-180 MPa, žlutozelená barva - standardní pevnostní plechy 180 - 300 MPa, fialová barva - vysoko pevnostní plechy 300 -500 MPa, hnědočervená barva - ultrapevnostní plechy 500 - 1400 MPa. Pro
analytický
výpočet
vnějších
charakteristiky
vozidla
byla
vyčíslena
předpokládaná hmotnost všech hlavních komponent na cca 1150 kg - rozpis viz příloha 10. S natankováním paliva 20 l nádrže vychází hmotnost na cca 1170 kg, pro započtení zbylých komponent (5 % z vypočtené hmotnosti) vychází výpočtová pohotovostní hmotnost vozidla na 1230 kg. Provedeme-li srovnání s hmotností vozidla Škoda Fabia I. generace, jehož pohotovostní hmotnost byla udávána 1060 kg s motorem 1,2 HTP je rozdíl hmotnosti 170 kg. Vzhledem k instalaci dodatečného příslušenství (baterie, elektromotory) je tato hodnota příznivá. Značný podíl na optimalizaci hmotnosti vozidla má předpokládané využití kompozitních a sendvičových materiálů v mechanické konstrukci vozidla. Nezanedbatelný podíl také přináší využití hliníkových slitin ve všech místech, kde to konstrukce vozidla umožňuje bez ztráty pevnosti a tuhosti karoserie - výchozí vozidlo Škoda Fabia používá výhradně výlisky z ocelových plechů. Vzhledem k přejmutí vnějších tvarů vozidla Škoda Fabia 1. generace jsou vnější parametry definovány následovně: délka - 3960 mm, šířka - 1646mm, výška 1451 mm, rozvor -2462 mm, rozchod - 1419/1408 mm, světlá výška - 135mm, cx - 0,31, čelní plocha vozidla - 2,04 m2. Základní výpočtové parametry čelní plocha vozidla: 2,04 m2 56 cx: 0,31
poloměr valení kola: 0,25 m valivý obvod pneumatiky: 1570 mm účinnost převodů: 0,9 valivý odpor pneumatiky: 0,01 56
Čelní plocha vozidla byla stanovena dle součinu šířka x výška automobilu
91
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
pohotovostní hmotnost vozidla: 1230 kg výpočtové zatížení vozidla: 190 kg
9.2. Vypočtené parametry vozidla osazeného duálním hybridním systémem E/E 9.2.1. Mód - spalovací motor Teoreticky určená maximální rychlost vozidla: 166,7 km/h Tabulka vypočtených hodnot je zobrazena v příloze 14.
45
100,00
40
90,00
35
80,00 70,00
Výkon [kW]
30
60,00
25
50,00 20
40,00
15
30,00
10
20,00
5
10,00
0
0,00 0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Točivý moment [N.m]
Parametry spalovací jednotky pohonu E/E
7000
Otáčky motoru [1/min]
graf 9-A vnější otáčková charakteristika spalovací jednotky pohonu E/E
92
Výkon Točivý moment
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
graf 9 -B pilový diagram módu spalovacího motoru pohonu E/E
Určení maximální rychlosti vozidla v módu spalovacího motoru graficky určená maximální rychlost vozidla 160 km/h
graf 9 - C grafické určení maximální rychlosti módu spalovacího motoru pohonu E/E
93
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Určení maximální stoupavosti vozidla v módu spalovacího motoru F"#$ = A0"#$ − aYG"#$ = 0,34 − 0,01 = 0,33 = 33% Průběhy měrné hnací síly na jednotlivé rychlostní stupně v módu spalovacího motoru 0,4 0,35
Měrná hnací síla [N/N]
0,3 0,25
I II
0,2
III 0,15
IV V
0,1
f 0,05 0 0
20
40
60
80
-0,05
100
120
140
160
180
Rychlost [km/h]
graf 9 - D průběhy měrné hnací síly módu spalovacího motoru E/E
I.
33 %
II.
18,5 %
III.
11,6 %
IV.
7,6 %
V.
5,3 %
tabulka 9 -I maximální stoupavost vozidla na jednotlivé rychlostní stupně v módu spalovacího motoru
94
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Průběhy zrychlení na jednotlivé rychlostní stupně v módu spalovacího motoru
Graf zrychlení
2
Zrychlení [m/s^2]
1,5
I
1
II III 0,5
IV V
0 0
20
40
60
80
-0,5
100
120
140
160
180
Rychlost [km/h] graf 9 - E průběhy zrychlení módu spalovacího motoru pohonu E/E
I.
1,79 m/s2
II.
1,36 m/s2
III.
0,99 m/s2
IV.
0,75 m/s2
V.
0,54 m/s2
tabulka 9 - II maximální zrychlení vozidla na jednotlivé rychlostní stupně v módu spalovacího motoru
95
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
9.2.2. Mód elektromobil Teoreticky určená maximální rychlost vozidla: 152,8 km/h Tabulka vypočtených hodnot je zobrazena v příloze 15.
Parametry elektrické jednotky pohonu E/E 35
100 90
30
Výkon [kW]
25
70 60
20
50 15
40 30
10
Točivý moment [N.m]
80
20 5
10
0
0 0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Otáčky motoru [1/min]
graf 9 - H vnější otáčková charakteristika elektrické jednotky pohonu E/E
graf 9 - I pilový diagram módu elektromobilu pohonu E/E
96
Výkon Točivý moment
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Určení maximální rychlosti vozidla v módu elektromobilu Graficky určená maximální rychlost 142 km/h
graf 9-J grafické určení maximální rychlosti módu elektromobilu E/E
Určení maximální stoupavosti vozidla v módu elektromobilu F"#$ = A0"#$ − aYG"#$ = 0,34 − 0,01 = 0,33 = 33%
97
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Průběhy měrné hnací síly na jednotlivé rychlostní stupně v módu elektromobilu 0,4
Graf měrné hnací síly
0,35
Měrná hnací síla [N/N]
0,3 0,25 0,2
I II
0,15
III 0,1
IV V
0,05
f
0 0 -0,05
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Rychlost [km/h]
graf 9 - K průběhy měrné hnací síly módu elektromobilu pohonu E/E I.
33 %
II.
18 %
III.
12 %
IV.
8,6 %
V.
6,7 %
tabulka 9 -III maximální stoupavost vozidla na jednotlivé rychlostní stupně v módu elektromobilu
98
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Průběhy zrychlení na jednotlivé rychlostní stupně v módu elektromobilu Graf zrychlení 2
Zrychlení [m/s^2]
1,5
I
1
II III IV
0,5
V 0 0
20
40
60
80
-0,5
100
120
140
160
180
Rychlost [km/h] graf 9-L průběhy zrychlení módu elektromobilu pohonu E/E
I.
1,8 m/s2
II.
1,37 m/s2
III.
1,08 m/s2
IV.
0,86 m/s2
V.
0,72 m/s2
tabulka 9 - IV maximální zrychlení vozidla na jednotlivé rychlostní stupně v módu elektromobilu
99
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
9.2.3. Mód paralelní hybrid 4x4 Teoretické určení maximální rychlosti: 152,8 km/h - maximální rychlost je omezena maximálními otáčkami elektromotorů Tabulka vypočtených hodnot je zobrazena v příloze 16. Teoretické parametry kombinované jednotky pohonu E/E 80
200
70
180 160
Výkon [kW]
60
140
50
120
40
100
30
80 60
20
Výkon Točivý moment
40
10
20
0
0 0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Otáčky motoru [1/min] graf 9-M vnější otáčková charakteristika paralelní kombinace pohonu E/E
graf 9-N pilový diagram paralelní kombinace pohonu E/E
100
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Určení maximální rychlosti v módu paralelního hybridu V daném módu je rychlost omezena maximálními otáčkami elektromotorů - je tedy 152,8 km/h
graf 9 -O grafické určení maximální rychlosti paralelní kombinace pohonu E/E
Určení maximální stoupavosti vozidla v módu paralelního hybridu F"#$ = A0"#$ − aYG"#$ = 0,66 − 0,01 = 0,65 = 65%
101
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Průběhy měrné hnací síly na jednotlivé rychlostní stupně v módu paralelního hybridu Graf měrné hnací síly 0,8
Měrná hnací síla [N/N]
0,7 0,6 0,5
I II
0,4
III 0,3
IV
0,2
V f
0,1 0 0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Rychlost [km/h]
graf 9 - P průběhy měrné hnací síly paralelní kombinace pohonu E/E
I.
65 %
II.
38 %
III.
25 %
IV.
18 %
V.
15 %
tabulka 9 -V maximální stoupavost vozidla na jednotlivé rychlostní stupně v módu paralelního hybridu
102
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Průběhy zrychlení na jednotlivé rychlostní stupně v módu paralelního hybridu Graf zrychlení 4 3,5
Zrychlení [m/s^2]
3 2,5
I
2
II III
1,5
IV 1
V
0,5 0 0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Rychlost [km/h] graf 9 -Q průběhy zrychlení paralelní kombinace pohonu E/E
I.
3,53 m/s2
II.
2,73 m/s2
III.
2,14 m/s2
IV.
1,72 m/s2
V.
1,44 m/s2
tabulka 9 -VI maximální zrychlení vozidla na jednotlivé rychlostní stupně v módu paralelního hybridu
103
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
9.2.4. Mód sériový hybrid
V tomto módu je vozidlo provozováno na elektrický pohon a spalovací motor slouží jako zdroj energie pro stejnosměrný agregát, který vozidlo pohání a zároveň přebytkem energie dobíjí palubní trakční baterii. Tento mód je brán pouze jako doplňkový pro zvláštní použití v situacích, kdy vozidlo potřebuje rychle dobít palubní trakční baterii. Vzhledem k parametrizaci generátoru je vozidlu snížena rychlost a výkon tak, aby bylo možno dobíjet palubní trakční baterii. Základní nastavení spalovacího agregátu je provedeno do oblasti nejnižší měrné spotřeby pohonných hmot, tedy do oblasti maximálního momentu motoru při plně otevřené škrtící klapce - tomuto režimu odpovídá 3250 ot/min. Požadované otáčky generátoru elektrické energie jsou 2800 ot/min, což vyžaduje zavedení převodu motor : generátor - 1,16 : 1. Sestava posléze generuje výkon 11500 W - v napěťové hladině 72V (stálý proud 160A). Pro změnění napěťové hladiny na požadovaných 84V, což je napěťová hladina, ve které pracují elektromotory, je třeba využít transformačního vztahu : c2 d0 84 160 = → = → d2 = 137BfC c0 d2 72 d2
při zavedení předpokládáné účinnosti měniče 0,9 je tedy k dispozici 123A proudu, které odpovídají teoretickému výkonu 10 kW soustavy, kterou je možno využít pro provoz vozidla, resp. pro dobíjení palubní trakční baterie. Samozřejmě důsledkem takto rapidního omezení výkonu pro pohon vozidla dojde k zásadnímu omezení rychlosti, které je vozidlo schopno dosáhnout. Tento provozní mód je tak možno aplikovat například v místech, kdy vozidlo dlouhodobě prakticky stojí a je potřeba dobít trakční palubní baterii - jde například o dopravní zácpy v oblasti přivaděčů do měst atd.
104
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
10. Výpočet spotřeby vozidla Pro výpočet spotřeby vozidla osazeného duálním hybridním pohonem E/E je použito vozidlo s vnějšími tvary vozidla Škoda fabia 1. generace. Vstupem jsou vnější charakteristiky vozidla, které byly vypočítány v kapitole 9. Vnější charakteristiky vozidla osazeného duálním hybridním pohonem E/E. Tak jako je proveden výpočet vnějších charakteristik v jednotlivých módech vozidla, tak je realizován i výpočet spotřeb - tedy separátně pro každý funkční mód. Základním pilířem určení energetické spotřeby vozidla je spotřeba v módu spalovacího motoru a v módu čistého elektromobilu. Pro výpočet byl použit identický matematický model, jaký byl použit pro výpočet spotřeby vozidla se spalovacím motorem (Peugeot 106) a elektromobilu EHR 10 - otisk obrazovky výpočtu je zobrazen v příloze 9. Tyto dva funkční módy byly vybrány s ohledem na primární pohonné jednotky, neboť mód sériového hybridu předpokládá spotřebu elektrické energie odpovídající pohonu na čistý elektromobil a spotřeba benzínu v daném módu je dána určením minimální měrné spotřeby motoru v daném požadovaném režimu běhu - tedy takovém, aby bylo možno pohánět zdrojový generátor. Mód paralelního hybridu je opět složením základních dvou pohonných módů. Pro určení teoretické spotřeby tohoto módu je možno provést výpočet sumací energetické náročnosti jednotlivých partikulárních částí módu tedy provozu benzínového motoru a energetické náročnosti pohonu elektromotorů. Tento přístup je však třeba brát jako striktně teoretický.
105
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
10.1. Výpočet spotřeby vozidla v módu spalovacího motoru Výpočet spotřeby vozidla vybaveného duálním hybridním pohonem E/E vychází z vypočítaných vnějších charakteristik daného vozidla. Parametrizace jednolivých fází výpočtu odpovídá cyklu NEDC - viz příloha č. 1. Samotný výpočet spotřeby pohonných hmot daným vozidlem odpovídá postupu, který je uveden v příloze 4 - Vzorový výpočet spotřeby automobilu z vypočtených vnějších charakteristik. Výpočet je realizován jak pro aktivovaný, tak i pro deaktivovaný start/stop systém.
Spotřeba v režimu volnoběžných otáček (800 1/min): - 0,61 l/hod. Spotřeba při jízdě městským cyklem bez start/stop systému - 5,72 l/100km. Spotřeba při jízdě městským cyklem s použitím start/stop systému - 5,53 l/100km/h. Spotřeba za jeden městský cyklus - 0,058 l/ 100km. Spotřeba při jízdě mimoměstským cyklem bez start/stop systému - 2,44 l/100 km. Spotřeba při jízdě mimoměstským cyklem s použitím start/stop systému - 2,38 l/100 km. Spotřeba za jeden mimoměstký cyklus - 0,17 l paliva - ujeto 6955m při průměrné rychlosti 62,6 km/h. Kombinovaná spotřeba bez start/stop systému - 3,7 l/100 km. Kombinovaná spotřeba s použitím start/stop systému - 3, 55 l/100 km. Spotřeba paliva při stálé rychlosti 100 km/h - otáčky 3600 - spotřeba paliva 2,74 l/100 km. Spotřeba paliva při stálé rychlosti 120 km/h - otáčky 4322 - spotřeba paliva 3,29 l/100 km.
106
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
10.2. Spotřeba energie v módu čistého elektromobilu Výpočet spotřeby elektrické energie vychází z minimální síly na kolech vozidla, která je potřeba v překonání jízdních odporů. Tato síla je nadále
kontrolována s
vypočtenými vnějšími charakteristikami vozidla při daném provozním módu tak, aby horní hranice možného zatížení vozidla jízdními odpory nebyla překonána. Při sestavení výpočtového modelu a při následném výpočtu bylo vycházeno z následujících rovnic: Potřebná síla na kole:
gh = iY + ij + ik + il + im *P.
Valivý odpor:
iY =
Odpor vzduchu:
ij = 0,05 ∙ o ∙ @$ ∙ ! 2 *P.
Odpor ve zrychlení:
il =
∙ E ∙ n*P.
∙ p ∙ BFaqč %aspč&í@ℎ ℎ asC*P.
Odpor ve stoupání OS a odpor způsobený tažením přípojného vozidla (přívěsu/návěsu) OP nebyl při výpočtu uvažován. Výpočet potřebného příkonu elektromotorů: M=
gh ∙ ! 1 ∙ *LF.57 3600 &
Pro pohyb ustálenou rychlostí byl výpočet spotřeby realizován dle následujícího vztahu: MB8C = M ∙ s*LF. Pro akceleraci byl výpočet realizován identickým postupem, který byl použit pro analýzu akcelerace při osazení vozidla spalovacím motorem - tento postup je popsán v příloze 4. Pro převod mezi jednotkami Ws a kWh bylo použito následujícího vztahu: 1J = 1Ws 1 kWh = 3 600 000 J = 3,6 MJ = 1,343 hph
57
Krzyzanek R., Výpočet spotřeby elektrických lokomotiv, pkms.webzdarma.cz, r.2000, http://pkms.webzdarma.cz/elokomotivy.html
107
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Během výpočtu spotřeby vozidla poháněného elektrickou energií byla zjištěna kolize požadavků zkoušky. Výpočet byl realizován dle parametrizace NEDC - viz příloha 1. Při výpočtu mimo městského cyklu (EUDC) v činnostech 14 a 16 došlo požadovanou silou FH k překročení maximální síly na kole Fk . Toto bylo způsobeno překročením dynamických parametrů, které je vozidlo v dané kombinaci pohonu dosáhnout - jde o požadované hodnoty zrychlení 0,24 resp. 0,28 m/s2. V těchto dvou činnostech bylo nutno výpočet modifikovat tak, aby mohl dále probíhat. Modifikace byla realizována opuštěním požadované hodnoty zrychlení pro činnost 14 a 16 dle metodiky cyklu NEDC. Toto zrychlení bylo nahrazeno maximálním možným zrychlením, kterého je vozidlo v dané situaci dosáhnout - toto zrychlení je specifikováno křivkami v grafu 9-L. Důsledkem realizace výše popsaného opatření je snížení dynamiky vozidla. Výpočtem byly zjištěny následující hodnoty:
spotřeba elektrické energie při jízdě městským cyklem: 138 Wh/km - 13,8 kWh/100 km spotřeba elektrické energie při jízdě mimoměstským cyklem: 145 Wh/km - 14,5 kWh/100 km spotřeba elektrické energie při jízdě cyklem NEDC: 142 Wh/km - 14,2 kWh/100km
Vypočítané hodnoty převedené na litry paliva natural 95: (pro převod je použito 1l N95=46,4 MJ=8,89kWh)
přepočítaná spotřeba paliva při jízdě městským cyklem: 1,55 l/100km přepočítaná spotřeba paliva při jízdě mimoměstským cyklem: 1,63 l/100km přepočítaná kombinovaná spotřeba paliva: 1,6 l/100km
108
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
10.3. Výpočet spotřeby paliva pro mód sériového hybridu Z hlediska spotřeby pohonných hmot je nejvhodnější zvolit pracovní oblast motoru takovou, kdy je dosaženo minimální měrné spotřeby pohonných hmot.
Vzhledem ke
způsobu využití spalovacího motoru v tomto módu lze však předpokládat zejména jeho využití v pásmu jeho maximální síly - tedy v pásmu otáček okolí maximálního točivého momentu. Jelikož je v tomto módu předpokládáno plné využití potenciálu motoru, je nutno realizovat výpočet pro plně otevřenou škrtící klapku - v tomto případě lze předpokládat, že v danou chvíli bude při tomto zatížení dosaženo minimální možné měrné spotřeby motoru - viz příloha 5. Otáčky motoru odpovídající dosažení maximálního točivého momentu: 3250 1/min ;
A0 ∙ B3 ∙ 1; C & 0,1 ∙ 105 ∙ B3 ∙ 258,82 ∙ 10 5 C 3250 = ∙ = ∙ = 0,025*+E/F. % ∙ D0 287 ∙ 293,15 2 ∙ 60 120
Tepelný průtok: Gř
=
;
∙ @HH=IJ
K
∙ BD3 − D2 C +
;
∙ @GH=IJ
K
∙ BD6 − D3 C =
= 0,025 ∙ 717,5 ∙ B2778,16 − 694,54C + 0,025 ∙ 1004,5 ∙ B4240 − 2778,16C = 74085,4*L. Výpočet teoretické spotřeby paliva: G#R
=
Gř
S
=
74086,4 ∙ 3600 = 5,8*+E/ℎ. ⇒ 7,66*U/ℎ. 46400000
Resumé sériového hybridního pohonu: V uvedeném režimu je nutno převodovat generátor tak, aby bylo dosaženo maximálního výkonu - v tomto režimu musí být získán dostatek elektrické energie jak pro pohyb vozidla, tak i pro dobíjení palubní trakční baterie. Jak je však z výpočtu patrno, jde o režim provozně drahý a tedy nouzový. Tento režim je použitelný zejména ve chvíli, kdy vozidlo je před vjezdem do bezemisní zóny, jeho baterie je nedostatečně nabita a není možno ji dobít z jiného zdroje. Potom je možno omezit rychlost pohybu a funkcí umožňující rychlé nabíjení palubní trakční baterie provést nouzové dobití vozidla tak, aby byl umožněn jeho pohyb v bezemisní zóně.
109
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
10.4. Výpočet spotřeby paliva pro mód paralelního hybridu Vzhledem k systémovému návrhu pohonu je možno určit spotřebu vozidla v daném módu pouze při rozložení hnacích sil 50:50 mezi přední a zadní nápravu. Výsledná hodnota je tak pouze informativní a odpovídá pouze základnímu nastavení vozidla neboť systém Clutch drive umožňuje využití síly nápravy 0 - 100% pro každou nápravu. Teoretické výsledné hodnoty pro dané rozložení hnacích sil: spotřeba při jízdě městským cyklem bez start/stop systému - 3,7 l/100km spotřeba při jízdě městským cyklem s použitím start/stop systému - 3,6 l/100km spotřeba při jízdě mimoměstským cyklem bez start/stop systému - 2,1 l/100 km spotřeba při jízdě mimoměstským cyklem s použitím start/stop systému - 2 l/100 k kombinovaná spotřeba bez start/stop systému - 2,65 l/100 km kombinovaná spotřeba s použitím start/stop systému - 2,6 l/100 km
110
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
11. Dimenzování palubní trakční baterie Na základě výpočtu energetické náročnosti provozu vozidla s duálním hybridním pohonem v módu čistého elektromobilu – kapitola 10 je možno dimenzovat velikost palubní trakční baterie. Požadovaný dojezd na jedno nabití u duálního hybridního pohonu je min 100 km – neboť lze předpokládat nájezd cca 300 km/týden – tedy 60 km denně, což je uváděný průměrný denní nájezd vozidel, která jsou v EU používána soukromými osobami k pravidelné cestě do zaměstnání. 100 km odpovídá tedy 1/3 týdenní ujeté vzdálenosti, címž je splněna běžná praxe známá např. z vozidel Toyota Prius, kdy doplňující pohon ke spalovacímu motoru je v režimu funkce přibližně 1/3 ujeté vzdálenosti. Pro dimenzování trakční baterie je třeba akceptovat následující požadavky: •
palubní trakční baterie musí mít vhodné zástavbové rozměry, aby mohla být umístěna do vytyčeného prostoru, který je umístěn mezi podlahou kabiny pro cestující a mezi podvozkem vozidla
•
palubní trakční baterie musí být dostatečně lehká – je nutné zvolit takovou technologii baterie, aby nedošlo k nežádoucímu nárůstu pohotovostní hmotnosti vozidla
•
palubní trakční baterie musí být schopna zajistit dostatečný zdroj energie pro ujetí 100km při dané konfiguraci vozidla při jízdě dle parametrizace cyklu NEDC.
Na základě výše uvedené jednoduché specifikace a vzhledem
k získaným
zkušenostem z elektromobilu EHR 10 byla pro řešené vozidlo s duálním hybridním pohonem E/E zvolena trakční baterie vyskládaná z jednotlivých článků, které využívají technologii LiFePO4 od firmy Thunder Sky. Předností této technologie je cenová dostupnost, vhodný tvar umožňující požadovanou zástavbu a dostatečná výkonnost.
111
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
obr. 11-1 Rozměrový náčrt článku s parametry 3,2V 200Ah od firmy Thunder Sky58 Parametry článku59: pracovní napětí 2,5 – 4,5 V maximální dobíjecí proud 2C standardní dobíjecí proud 0,5C maximální vybíjecí proud 2CH maximální krátkodobá vybíjecí zátěž (pulzy) 10C hmotnost jednoho článku: 6,9 kg životnost článku udávaná výrobcem : 3000 cyklů (80%DOD), 4000 cyklů (70%DOD)
58
Sedlák J., Lithiové články 4.2V - FiFePO4, www.auto88.cz, 19.9.2008, http://www.auto88.cz/forum/showthread.php?t=8
59
Sedlák J., Lithiové články 4.2V - FiFePO4, www.auto88.cz, 19.9.2008, http://www.auto88.cz/forum/showthread.php?t=8
112
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
obr. 11 - 2 Vybíjecí charakteristika článku s parametry 3,2V 200Ah od firmy Thunder Sky60 Parametrizace a dimenzování palubní trakční baterie
Požadované napětí – min 84 V – při jmenovitém napětí článku 3,2V odpovídá 26,25 ks článků – je tedy potřeba min. 27 článků pro snazší instalace celé komponenty palubní trakční baterie do vymezeného prostoru je požadován sudý počet článků, tedy výsledný počet článků trakční baterie – 28 ks, odpovídající 89,6V při jmenovitém napětí článku 3,2 V. Uvedená palubní trakční baterie je zdrojem obsahujícím 17 920 Wh energie, vzhledem k nutnosti zajištění úplného nevybití trakční palubní baterie, při dodržení 20 procentní rezervy kapacity baterie (pro zajištění maximální životnosti baterie) znamená 14336 Wh, které jsou k dispozici pro provoz vozidla. Hodnota 14 336Wh vyhovuje podmínce ujetí 100km/h vozidlem řešeným v systémovém návrhu. Neboť dle výsledků získaných v kapitole 10.2. vozidlo daných parametrů potřebuje na ujetí 100km průměrně 14 300 Wh při jízdním cyklu odpovídajícímu specifikaci definované NEDC. Pro uvedený mód může být navíc zaveden předpoklad provozu zejména v bezemisních zónách měst - tedy energetická náročnost provozu vozidla v módu čistého elektromobilu bude odpovídat spíše městské části cyklu NEDC - cyklu ECE, kde vypočtená energetický náročnost provozu vozidla činí 13 800 Wh/100km – v tomto režimu je tedy palubní trakční baterie dimenzována na cca 104 km dojezdu.
60
Sedlák J., Lithiové články 4.2V - FiFePO4, www.auto88.cz, 19.9.2008, http://www.auto88.cz/forum/showthread.php?t=8
113
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Z hlediska životnosti je možno baterii dimenzovat pouze na cyklické opotřebení standardizovanými vybíjecími a nabíjecími cykly. Vliv počasí a tepelné namáhání není možno zcela predikovat, prodloužení životnosti baterie je možné docílit pravidelnějším nabíjením, kdy s nižším vybíjením baterie stoupá cyklická životnost baterie. Vzhledem k předpokládané morální a finanční životnosti vozidla osazeného duálním hybridním pohonem E/E, která je určena na deset let, lze předpokládat, že při najetí 100 km/týden na elektrický pohon je vozidlo schopno absolvovat svůj životní cyklus bez výměny baterie. Teoreticky na životní cyklus vozidla bude potřeba: 520 dobíjecích cyklů, během kterých vozidlo ujede 52 000 km na čistě elektrický pohon. Pro dosažení maximální možné životnosti palubní trakční baterie, je nutno provést tepelnou izolaci bateriového prostoru, která díky možnosti ventilace omezí zimní prochladnutí palubní trakční baterie v maximální možné míře a zároveň umožní zabránit letnímu přehřátí palubní trakční baterie. Uvedená technologie trakční palubní baterie (LiFePO4) musí být doplněna na každém článku monitorovacím systémem, který zajišťuje rovnoměrné nabíjení a vybíjení každého článku trakční palubní baterie, čímž zabezpečuje efektivní využití elektrické energie akumulované v každém článku trakční palubní baterie.
obr. 11-3 ilustrativní příklad zapojení monitorovacího systému palubní trakční baterie61
61
Thunder sky, Instalační návod systému BMS RT, 2010
114
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
12. Slaboproudá instalace vozidla Součástí povinné výbavy každého vozidla je zákonem stanovené osvětlení. V případě vozidel s nízkou energetickou náročností provozu, a zejména u elektromobilů, je nutné ušetřit každý vynaložený watt elektrické energie. Pro řešeného vozidlo je tedy nejvýhodnější použít následné kombinace vnějšího osvětlení vozidla – zadní sdružené svítilny a směrová světla s využitím technologie LED, hlavní světlomety s denním svícením je vhodné kombinovat v technologii LED a xenonového světlometu.
obr. 12 - 1 zadní sdružená led svítilna
62
obr. 12 - 2 přední sdružený xenonový světlomet s led denním světlometem
63
62
Hertian K., Zadní lampy LED čiré - Škoda Fabia, www.kmautodoplnky.cz, r.2012, http://www.kmautodoplnky.cz/tuning/5444/14496/zadni-lampy-led-cire-koda-fabia.htm
63
Tichý M., Přední světla devil eyes DRL škoda Fabia, čerené, inara.czhttp, r.2012, inara.cz/1010499-prednisvetla-devil-eyes-drl-skoda-fabia--cerne.html
115
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
12.1 Energetická náročnost provozu slaboproudé elektroinstalace vozidla Z hlediska osaditelnosti odpovídají odběry následujícím parametrům: denní svícení 12V 2x0,4 A - 5 W - Wh na hodinu potkávací světlomet xenon 85V 2x 0,41 A -70 W → 12V 2x 2,9 A - 70W - účinnost měniče 0,9 - 80 Wh na hodinu provozu dálkový světlomet: 12V 2x4,5 A - 110 Wh na hodinu provozu odběr obrysových světel: 12V 0,1 A - 1,2 Wh na hodinu provozu odběr brzdových světlometů: 12V - 2 x 0,7 A - 16,8 Wh na hodinu provozu odběr mlhového světlometu: 12V - 0,1A - 1,2Wh na hodinu provozu odběr couvacích světlometů:12V - 2 x 0,1A - 2,4Wh na hodinu provozu směrové světlomety: 12V - 1, 33 A na stranu - 16Wh na hodinu provozu osvětlení interiéru: 12V 0,1 A - 1,2 Wh na hodinu provozu osvětlení palubní desky: 12V 0,1 A - 1,2 Wh na hodinu provozu stěrače:12V - 3,6A - 43,2 Wh na hodinu provozu ostřikovače: 12V - 4A - 48 Wh na hodinu provozu stahování oken: 12V - 15A - 180Wh na hodinu provozu pro jedno okno houkačka 12V - 3,5 A - 42Wh na hodinu provozu alternátor – 14V 70 A 12V palubní baterie 12V/44Ah výkon fotovoltaického článku: 100W - dodáno 100Wh energie za hodinu provozu příkon chlazení sedadel: 36W - odběr 36Wh za hodinu provozu příkon chlazení prostoru nohou: 5W - odběr 5Wh za hodinu provozu příkon chlazení prostoru palubní desky: 5W - odběr 5Wh za hodinu provozu příkon chlazení prostoru vozidla: 5W - odběr 5Wh za hodinu provozu Mód topení: instalovaný výkon sedadel: 60 W – energetická náročnost předehřívacího cyklu 15Wh instalovaný výkon volantu: 10 W - odběr 10Wh za hodinu provozu
116
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
13. Předpokládané rozmístění komponent duálního hybridního systému E/E na palubě vozidla V následující kapitole je zobrazena základní obrazová dokumentace ideového rozložení komponent duálního hybridního pohonu E/E na palubě vozidla. Níže uvedený model byl vytvořen ve volně dostupném SW Google SketchUP verze 6.-8. Pro model byly použity komponenty, které jsou pro nekomerční využití volně dostupné v komunitě uživatelů SW Google SketchUp. V přední části vozidla je umístěn spalovací motor s převodovkou a rozvodovkou pro přední nápravu. V této části je také integrován generátor elektrické energie pro mód sériového hybridu. Pod kabinou posádky je umístěna palubní trakční baterie s příslušenstvím. V prostoru pod zadními sedadly a pod zavazadlovým prostorem je umístěna palivová nádrž a kompletní elektrický pohon, včetně převodovek, který je svázán se zadní nápravou.
obr. 13-1rentgenový snímek řešeného vozidla
117
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
obr.13-2 spodní pohled na rozložení komponent
118
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
obr.13-3 rozložení komponent v motorovém prostoru
obr.13-4 rozložení komponent v zadní části vozidla
119
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
14. Shrnutí systémového návrhu vozidla osazeného duálním hybridním pohonem E/E V kapitolách 9.-13. je uveden systémový návrh vozidla, které je osazeno duálním hybridním pohonem. Modulární koncepce duálního hybridního pohonu byla vytvořena s důrazem širokou univerzálnost použití. Pro řešený systémový návrh vozidla jsou předpokládány dva základní funkční módy duálního hybridního pohonu E/E. Prvním funkčním módem je mód spalovacího motoru, jehož vnější parametry jsou vypočteny v kapitole 9.2.1. Druhým základním módem je mód elektromobilu, jehož vnější parametry jsou vypočteny v kapitole 9.2.2. Velmi zajímavým módem pro daný vůz je mód paralelního hybridu, umožňující pohon 4x4, jehož vnější parametry jsou vypočteny v kapitole 9.2.3. V tomto módu je dosaženo výsledné vnější otáčkové charakteristiky celkové pohonné jednotky graf 9-M, která svými parametry umožňuje vozidlu o výpočtové hmotnosti 1420 kg dosáhnout zajímavých jízdních výkonů. Mód sériového hybridního pohonu (kap. 9.2.4.) je sice v dané konfiguraci vozidla možný, ale z hlediska četnosti využití je brán spíše jako mód doplňkový zejména ve chvílích, kdy je nutno urgentně dobít palubní trakční baterii a není k dispozici externí zdroj elektrické energie. K této volbě bylo přistoupenu z důvodů zaměření práce, kdy byla řešena příjemná charakteristika pohonných jednotek a celkového pohonu především z hlediska uživatelského komfortu. Odlazení běhu spalovacího motoru jako zdroje pro elektrický generátor nebylo tedy provedeno a spotřeba pohonných hmot pro daný funkční mód (kap 10.3.) byla provedena jen pro stav plně otevřené škrtící klapky, čemuž odpovídá spotřeba 7,66 l/hod provozu. O přenos hnací síly mezi pohonnými jednotkami a koly se starají tři identické převodovky s postupným řazením. Rozložení převodových stupňů tabulka 8-II bylo zvoleno kompromisně s ohledem na předpokládané využití daného vozidla (městský a příměstský provoz), tedy tak, aby bylo dosaženo výborné stoupavosti vozidla (na 1. rychlostní stupeň až 65 % v módu paralelního hybridního pohonu 4x4) a na dosažení maximální rychlosti min 130km/h. V kapitole 10. byl proveden výpočet spotřeby vozidla v jednotlivých funkčních módech. Získané výsledky byly dosaženy pomocí výpočtu jízdních odporů vozidla na 120
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
modelovém cyklu, který svými parametry odpovídá cyklům ECE, EUDC, NEDC. Módy spalovacího motoru a duálního hybridu požadavkům těchto cyklů bezezbytku vyhověly. Mód elektromobilu nevyhověl požadavkům cyklu EUDC v činnostech 14 a 16. V tomto případě byl výpočet dokončen tak, že byla doba cyklu 14 a 16 prodloužena - výpočet pokračoval po křivce zrychlení vozidla vyplývající z grafu 9-L. Vyhodnocení vypočtené energetické náročnosti provozu v jednotlivých funkčních módech: Mód spalovací motor Vypočtené hodnoty v cyklu ECE poukazují na malý rozdíl spotřeby pohonných hmot při využití start/stop systému v porovnání s jízdou bez tohoto systému (výpočtový rozdíl cca 0,2 l/100km). Velikost tohoto rozdílu odpovídá skutečnosti, na kterou často poukazují ve svých článcích nejen odborníci64, ale i praktické zkušenosti řidičů, kteří jsou s funkcí tohoto systému často nespokojeni. Vypočtená hodnota spotřeby vozidla v cyklu NEDC (3,7 l/100km) potom plně reflektuje vývoj energetické náročnosti provozu vozidel se spalovacími motory tak, jak jej predikuje i člen představenstva firmy BOSCH - Peter Tyroller.65 Mód elektromobil Vypočtená hodnota energetické náročnosti v provozu dle NEDC cyklu (14,2 kWh/100km) je plně v souladu se spotřebou např. u vozidla Škoda Octavia Green e-Line, se kterou bylo při dojezdové zkoušce dosaženo průměrné spotřeby 11,5 kWh/100km66. Mód sériový hybrid Tento mód je v řešeném návrhu brán jako doplňkový slouží k nouzovému urgentnímu dobití palubní trakční baterie v případě absence externího zdroje elektrické energie.
Výpočet spotřeby spalovacího
motoru ve funkci pohonného agregátu byl
proveden pouze pro režim plně otevřené škrtící klapky motoru v otáčkách odpovídajících maximálního točivého momentu. Výsledkem je spotřeba 7,66 l/1motohodinu, při které je 64
Olivík P., Otázka dne: jsousystémy Start - Stop přínosem, nebo zbytečností?, www.autorevue.cz, 7.5.2011, http://www.autorevue.cz/otazka-dne-jsou-systemy-start-stop-prinosem-nebo-zbytecnosti_2 65
Dragoun A., Bosch: Za tři roky bude spotřeba pod tři litry "běžná", www.auto.cz, 13.6.2012, http://www.auto.cz/bosch-za-tri-roky-bude-spotreba-pod-tri-litry-bezna-67526
66
Jungmann A., Škoda Octavia Green e-Line: Řídili jsme škodovácký elektromobil, www.auto.ct, 4.6.2012, http://www.auto.cz/skoda-octavia-green-e-line-ridili-skodovacky-elektromobil-67332
121
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
vyrobeno 10 kW/h elektrické energie. Vypočtená spotřeba však odpovídá běžné spotřebě elektrocentrály s teoretickým výkonem 15kVA, která je např. u typu EC 15 kVA deklarována mezi 8,5 - 9 l paliva na hodinu provozu67. Mód paralelní hybrid Výpočet energetické náročnosti provozu byl proveden při rozložení hnacích sil 50:50 mezi přední a zadní nápravu. Vzhledem k praktické možnosti rozložení hnacích sil mezi nápravu v rozmezí 0 - 100 % je tento výpočet pouze orientační a ilustrativní. Výsledná přepočtená hodnota 2,65 l/100 km tak jen deklaruje jaký potenciál energetické úspory se nachází v efektivním využití elektrické energie jako zdroje pro pohon vozidel. Dimenzování trakční baterie v kapitole 11 je provedeno tak, aby při požadované napěťové hladině zůstatkové kapacity 20 % bylo vozidlo na čistě elektrický pohon schopno urazit 100 km. Dobíjení palubní trakční baterie je možno realizovat třemi způsoby: •
klasickým způsobem ze zásuvky
•
módem sériového hybridu
•
módem spalovacího motoru, kdy motor vozidla přebytkem svého výkonu roztáčí generátor elektrické energie, který alespoň částečně dobíjí palubní trakční baterii
Provoz osvětlení a pomocných systémů Pro dimenzování osvětlovacího systému kap. 12 bylo plně využito zkušeností s realizací a návrhem elektromobilu EHR 10 a poznatků získaných předchozími pracemi [5]. Uvedené řešení osvětlení plně odpovídá legislativním požadavkům na osvětlení vozidla shrnutých v knize Zkoušení automobilů a motocyklů – příručka pro konstruktéry [1]. Systémový návrh vozidla osazeného duálním hybridním pohonem je doplněn modelovým rozložením komponent na palubě vozidla viz kap. 13. Rozložení je provedeno následujícím způsobem: skupina spalovacího motoru a generátor elektrické energie jsou umístěny nad přední nápravou, skupina elektromotorů a příslušenství je umístěna nad zadní nápravou. Palubní trakční baterie je umístěna v podlaze prostoru pro posádku, palivová nádrž je umístněna klasicky pod zadními sedadly, zdroj systému tepelné pohody posádky - fotovoltaický článek je umístěn ve střeše vozidla (v modelu není explicitně zakreslen).
67
SJtrade, Elektrocentrála EC 15kVA, sjtrade.cz, r.2012,http://sjtrade.cz/index.php?page=elektrocentralaec---15-kva-12-kw
122
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
15. Závěr disertační práce Tato disertační práce navazuje na současné trendy v individuální dopravě a současně shrnuje autorův podíl na aplikovaném výzkumu a získané znalosti na poli vozidel s nízkou energetickou náročností provozu. Při vytváření disertační práce byl kladen velký důraz na praktickou realizovatelnost výsledků, které byly v maximální možné míře prakticky verifikovány. Disertační práce je koncipována do dvou celků. První celek – kapitoly 2. – 5. je sběrem dat pro vytvoření systémového návrhu duálního hybridního pohonu. Druhý celek - kapitoly 6.- 14. se zabývá systémovým návrhem duálního hybridního pohonu E/E, který je, po jednotlivých základních funkčních módech a komponentách, specifikován v kapitolách 7. a 8. V kapitolách 9. – 13. následuje realizační část, kde je proveden systémový návrh vozidla osazeného duálním hybridním pohonem E/E. Pro analytické výpočty na konkrétním vozidle a vizualizaci tohoto návrhu byly přejaty tvary vozidla Škoda Fabia 1.generace. Hlavními výstupy této práce jsou: realizovaný elektromobil EHR 10, jehož vlastnosti jsou rozebrány v kapitole 4 a systémově navržený duální hybridní pohon, který je řešen v kap. 6.-14. s ohledem na eliminaci slabých stránek konvenčních běžně prodávaných vozidel, které vyplynuly ze studia odborné literatury, zkušeností uživatelů, analýz vozidel a sběru dat uvedeného v kapitole 5. Velkým zdrojem vstupních dat, pro vytvoření systémového návrhu duálního hybridního pohonu E/E, byla realizace a zkušební provoz elektromobilu EHR 10. Při systémovém návrhu duálního hybridního systému E/E bylo vycházeno z prototypu elektromobilu EHR 10, který je koncipováno jako netradiční vozidlo s využitím převážně pro volnočasové aktivity. Pro jeho vyšší atraktivitu a neobvyklost byl zvolena karoserie typu retro, která byla umístěna na bezpečnostní prostorový skelet vozidla. Jednotlivé díly karoserie byly přejaty z vozidla Gordon, které je karosováno ve stylu vozidla AERO 30 ze 30. let 20. století. Uvedená koncepce řešení podvozku elektromobilu EHR 10 umožnila přistoupit k projekčnímu návrhu a realizaci elektromobilu novou cestou vozidlo bylo projektováno, konstruováno a realizováno jako elektromobil - tedy neproběhla konverze ze spalovacího vozidla. Výhodou tohoto řešení je realizace vozidla bez vynucených kompromisů pro zástavbu elektrického pohonu a palubní trakční baterie. 123
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Na tomto elektromobilu byl také vyzkoušen pasivní box palubní trakční baterie, který umožnil udržovat stálou teplotu palubní trakční baterie - udržení této teploty je nutné z hlediska dosažení správné funkce a životnosti palubní trakční baterie. Řešený duální hybridní pohon E/E je pohonem, který je svojí koncepcí možno zařadit do kategorie univerzálních hybridních pohonů pro vozidla, která jsou v převážné většině využívána v individuální přepravě osob k cestě do zaměstnání, za nákupy a za zábavou. Podle statistik byla průměrná denní vzdálenost ujetá na osobu v zemích "evropské 25" v roce 2004 mezi 30 - 40 km68. Při předpokládaném denním nájezdu 50 km a využití vozidla 5x týdne odpovídá průměrný roční nájezd 13 500 km. Při plánované morální životnosti vozidla a technologie 10 let vzniká tak životnostní požadavek na vozidlo cca 150 000 km s minimální servisní náročností vozidla. Vzhledem k typu pohonu a danému určení vozidla je delší životnost vozidla zbytečná, neboť lze předpokládat, že po deseti letech provozu vozidla bude každá větší oprava vozidla nerentabilní a vozidlo bude po deseti letech provozu výrazně morálně zastaralé - běžná životnost konvenčního vozidla je dnes projektována na cca 250 000 km69, přitom finančně nejnáročnější oprava takového vozidla je plánována po ujetí cca 150 000km70. Vzhledem k trendu snižování cen vozidel71, který trvá již několik let, je možné předpokládat i snížení životnosti konvenčních vozidel. Z výše uvedených skutečností v konfrontaci se zjištěnými výsledky uvedenými v kapitole 14. je možné hodnotit vozidlo osazené duálním hybridním pohonem jako technicky konkurenceschopné na poli vozidel pro denní použití. Negativem řešení duálního hybridního pohonu E/E je v případě realizace prvních kusů vozidel je cena vozidla, kdy nejdražší finanční položkou je vývoj specifického spalovacího motoru. Nicméně dle Petera Tyrollera72 jsou motory s obdobnou spotřebou pohonných hmot již ve
68
Strelow H., Osobní doprava v Evropské unii, edice.cdf.cz, r.2004, http://edice.cd.cz/edice/Statistika/stat2006/stat11_06.pdf 69
Vaculík M., Dieselová pro a proti: Opravy vstřikovačů Common railu, www.auto.cz, 21.6.2012, http://www.auto.cz/dr-diesel-opravy-vstrikovacu-common-railu-od-tri-do-ctrnacti-tisic-67684
70
jde o výměny rozvodových komponent vozidla, o výměnu filtrů pevných částic , o výměnu vícehmotových setrvačníků a o výměnu či repasi součástí palivového okruhu 71
Šikl P., Ceny nových aut do 300 tisíc Kč: pokles nekončí, www.autorevue.cz, 1.11.2010 http://www.autorevue.cz/ceny-novych-aut-do-300-tisic-kc-pokles-nekonci
124
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
vývoji automobilových společností. Další významnou finanční položkou jsou použité elektromotory. Současná cena kusové výroby těchto elektromotorů není bohužel zveřejněna - v době systémového návrhu elektromobilu EHR 10 činila cca 120 000 Kč za kompletní řešení pohonu vozidla bez převodovky. Třetí nejvýznamnější finanční položkou duálního hybridního pohonu E/E jsou převodovky, které by pro realizaci vozidla bylo třeba připravit, případně vytipovat jejich použití z již realizovaného řešení. Ostatní komponenty vozidla a technická řešení, které jsou použity v systémovém návrhu vozidla s duálním hybridním pohonem E/E jsou již praxí ověřeny. Nezanedbatelnou část nákladů vývoje vozidla jsou samozřejmě i náklady, které je nutno vynaložit na schválení vozidla pro provoz na silničních komunikacích. Systémový návrh vozidla s duálním hybridním pohonem E/E je tak modulární stavebnicí, která kombinuje vhodná technická řešení pro získání vozidla s požadovanými technickými vlastnostmi bez zbytečných kompromisů, které by se negativně podepsaly na energetické náročnosti provozu vozidla. Pro realizaci podvozkové skupiny řešeného vozidla bude nutné se zaměřit zejména na eliminaci jízdních odporů vozidla a to jak použitím vhodných komponent (např. pneumatiky s nízkým valivým odporem), tak i vhodnou konstrukcí jednotlivých částí podvozkové skupiny. Při řešení návrhu karoserie bude nutno dbát zejména na maximální aerodynamicky čisté tvary karoserie při zachování funkčnosti a bezpečnosti vozidla. Z hlediska požadavku minimalizace hmotnosti vozidla bude nutno při konstrukci dopravního prostředku používat lehké slitiny kovů a kompozitní materiály. Pro interiér bude nutno zvolit materiály, které mají nízkou tepelnou absorpci, selektivní zasklení a pasivní izolaci jednotlivých komponent karoserie (střecha, dveře atd.). Přínos disertační práce lze shrnout v následujících bodech: •
Na elektromobilu EHR 10 byla zkušebním provozem v roce 2010 prokázána vhodnost využití vhodně koncipované převodové skříně, která umožňuje efektivnější využití energie při přenosu hnací síly na vozovku. Tento fakt byl
72
Dragoun A., Bosch: Za tři roky bude spotřeba pod tři litry "běžná", www.auto.cz, 13.6.2012, http://www.auto.cz/bosch-za-tri-roky-bude-spotreba-pod-tri-litry-bezna-67526
125
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
potvrzen i produktem anglické firmy Antonov – informace o řešení této firmy byly publikovány 7.7. 201173 . •
Pokud je k elektromobilu od projekčního návrhu přistupováno jako k unikátnímu vozidlu tzn. nejde o přestavbu původního vozidla se spalovacím motorem, potom je toto vozidlo plně použitelné pro denní nasazení v individuální přepravě osob za prací, kulturou i zábavou na trati kratší až střední vzdálenosti.
•
Experimentálním provozem elektromobilu EHR 10 byla pomocí opakované dojezdové zkoušky změřena výhoda nepoužívání rekuperačního systému, neboť při efektivním využití kinetické energie vozidla bylo elektromobilem EHR 10 dosaženo v průměru o 6km delšího dojezdu než s využitím rekuperace kapitola 4.5. Rekuperace byla výhodná pouze ve chvílích, kdy vozidlo absolvovalo průjezd dlouhými (několik km) klesáními, která však nejsou v reliéfu krajiny České republiky příliš častá.
•
Byly prokázány nedostatky výpočtu a měření spotřeby vozidel se spalovacím motorem i elektromobilů viz. kapitola 2.,4.,10. definované standardem EHK101 a pamaretrizací cyklu NEDC.
Odlišnost takto prováděného výpočtu a měření
energetické spotřeby vozidel je v současné době předmětem zájmu odborného tisku74 i jednání o změně legislativy 75. •
V systémovém návrhu duálního hybridního pohonu byl aplikován Audreaův motor s prodlouženou expanzí, který dosahuje vyšší účinnosti než motory, které mají stejnou délku sacího a expanzního cyklu. Výpočtem zjištěná spotřeba pohonných hmot tímto motorem svoji nízkou hodnotou ukazuje směr, který lze předpokládat v automobilovém průmyslu – tedy zvýšení účinnosti spalovacích motorů. Tento předpoklad je potvrzen i v prohlášení firmy Bosch76.
•
V práci bylo poukázáno na nutnost využití energeticky nenáročného systému, který zajišťuje tepelnou pohodu v kabině posádky. Nezanedbatelný vliv na tento
73
Grohmann J., Převodovka prodlouží dojezd elektromobilu,www.hybrid.cz, http://www.hybrid.cz/prevodovka-prodlouzi-dojezd-elektromobilu
7.7.2011m
74
Vaculík M., Udávaná vs. skutečná spotřeba paliva: Proč se tolik liší?, www.auto.cz, 24.2.2012, http://www.auto.cz/homologovana-vs-provozni-spotreba-paliva-proc-tolik-lisi-65158 75
Dragoun A., EU plánuje realističtější měření spotřeby,www.auto.cz, 14.6.2012http://www.auto.cz/euplanuje-realistictejsi-mereni-spotreby-67554 76
Dragoun A., Bosch: Za tři roky bude spotřeba pod tři litry "běžná", www.auto.cz, 13.6.2012, http://www.auto.cz/bosch-za-tri-roky-bude-spotreba-pod-tri-litry-bezna-67526 126
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
systém má cílenost systému na předem vytipované části lidského těla, které jsou nejvíce náchylné na přehřátí/podchlazení. Hodnocení splnění cílů disertační práce stanovených v kapitole 1.2 Ad 1. – byla provedena komplexní analýza vnějších parametrů a spotřeby vozidla Peugeot 106 se spalovacím motorem o objemu 1.0 – cíl byl splněn. Ad 2. – elektromobil EHR 10 byl realizován, během zkušebního provozu byla provedena měření a analýzy, odhalující přednosti a nedostatky elektromobilu EHR 10 – cíl byl splněn. Ad 3. – v kapitole 5. byla analyzována následující vozidla Škoda Octavia II, Škoda Superb II, Dacia Sandero, Peugeot 207 sw – cíl byl splněn. Ad 4. – byl vytvořen systémový návrh vozidla osazeného duálním hybridním pohonem E/E, systémový návrh vozidla je aplikován na vozidlo s tvary přejatými z vozidla Škoda Fabia 1. generace (viz kapitola 13) a je vybaveno pasivním systémem klimatické pohony v kabině posádky – cíl byl splněn. Během řešení tématu předkládané disertační práce byly splněny všechny cíle, které byly vytčeny v kapitole 1.2. Bylo provedeno hodnocení energetické náročnosti provozu vozidla se spalovacím motorem, elektromobilu a byl proveden systémový návrh duálního hybridního pohonu E/E, který byl využit v systémovém návrhu nového osobního vozidla. Při porovnání výsledků získaných v během aplikovaného výzkumu, který tato disertační práce dokumentuje, s výsledky, které bylo dosaženo v řešení produkčních firem, potom lze konstatovat, že dosažené výstupní hodnoty odpovídají výsledkům, kterých pro daná technická řešení dosahují i konkurenční technická řešení.
127
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Odborné konzultace Doc. Ing. Josef Formánek, Ph.D. FST – KKS Doc. Ing. Jaromír Švígler CSc. FAV - KME Ing. Vladimír Friml APC s.r.o. Ing. Michal Návara APC s.r.o. Petr Krieglstein APC s.r.o. Ing. Vladimír Hrůza ELIS Plzeň Ing. Martin Pittermann, Ph.D. FEL – KEV Ing. Milan Šíma Saft – Industrial Battery Group Ing. Milan Vnouček, Ph.D FST – ZČU - KMM Ing. Jan Žižka - Ricardo Prague s.r.o. Jan Sedlák - i4wifi a.s. IC-WEST s.r.o. - regionální dealer firmy Peugeot
128
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
I. Seznam literatury Použitá: [1]: First J. a kol.: Zkoušení automobilů a motocyklů – příručka pro konstruktéry , ČVUT v Praze, Fakulta dopravní, Ústav dopravní techniky, ISBN: 078-80-254-1805-6 [2]: Bartoš V., Červený J., Hruška J., Kotlanová A., Skala B.: Elektrické stroje, ZČU v Plzni, Fakulta elektrotechnická 2006, ISBN: 80-7043-444-9 [3]: Vlk F.: Automobilová technická příručka, Brno 2003, ISBN: 81-238-9681-4 [4]: Cílek V., Kašík M.: Nejistý plamen: průvodce ropným světem, ISBN: 978-80-7363-1222 [6]: Šteiner M: Podklady k předmětu komplexní hodnocení dopravních prostředků, ZČU v Plzni [7]: Švígler, J. Podklady k předmětu mechanika dopravních prostředků, ZČU v Plzni [8]: Vondrášek,. F. Výkonová elektronika-1.svazek. ZČU Plzeň, 1994. [9]: Jenčík J., Volf J.. Technická měření, ČVUT 2000, ISBN 80-01-02138-6 [10]: Hosnedl S. Podklady k předmětu ZKM, ZČU v Plzni [11]: Vlk F. Elektrická zařízení motorových vozidel, Brno 2005, ISBN 80-239-3718-9 [12]: Hanečková K., Model osobného automobile so sériovým hybridným pohonom, Sborník konference ERIN2010, ISBN 978-80-7043-866-4 [13]: Zeman K., Peroutka Z., Janda M., Automatická regulace pohonů s asynchronními motory ZČU v Plzni, Fakulta elektrotechnická 2004, ISBN 80-7043-350-7 [14]: Hosnedl S., Krátký J., Příručka strojního inženýra, obecné strojní části 1, Computer press Brno 1999 , ISBN 80-7226-055-3 [16]: Horníček J. – Jak jezdit s nižší spotřebou, Coputer press Praha 2000, ISBN: 978-807226-412-4 [17]: Vondrášek J., Langhammer J., Peroutka A., Měsíček J., Molnár J. – Projektování výkonnových polovodičových měničů – vybranné stati, ZČU v Plzni 2008, ISBN 978-807043-653-0 [18]: Piskač L. – Elektrické pohony principy a funkce, ZČU v Plzni 2008, ISBN: 978-80-7043688-2 [22]: Vyhláška 50/1978 sb. Miroslav Minařík, verze ke stažení www.elektrika.cz, 21.3.2010 129
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
[24]: Kožušek J. - Výpočet a konstrukce spalovacích motorů I, II, SNTL - Nakladatelství technické literatury Praha 1978, 1983, 04-231-78,04-222-83 [25]: Ferenc B. - Spalovací motory, Computer press Brno 2009, ISBN 978-80-251-2545-8 [26]: IFA, Provozní návod motocyklů MZ150 a 250 ETZ, IFA mobile DDR 1988 [27]: Tokař, S. Mechanismus jednoválcového zážehového motoru s prodlouženou expanzí. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2009. Vedoucí diplomové práce prof.Ing. Václav Píštěk, DrSc. [28]: Viščor, P. Studie pasivního chlazení kabiny osobního automobilu. Brno, 2010. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulty strojního inženýrství, Energetický ústav. Vedoucí diplomové práce Ing. Jan Fišer.
Vlastní: [5]: Kleisner P.: Návrh polovodičového světlometu pro dopravní prostředek– diplomová práce, ZČU v Plzni, Fakulta strojní 2008, Vedoucí práce Formánek J. [10]: Kleisner P.: Analýza spínací frekvence u přímého řízení momentu– bakalářská práce, ZČU v Plzni, Fakulta elektrotechnická 2005, Vedoucí práce Peroutka Z. [15]: Formánek J., Kleisner P., Kutlwašer J. – Cvičení z diagnostiky silničních vozidel experimentální ověření vlastností obtékání částí karosérie v modelovém měřítku, Plzeň 2010 [19]: Kleisner P. – Měření parametrů elektromobilu, ZČU v Plzni 2009 [21]: Jan Kutlwašer, Petr Kleisner, Josef Formánek: Zjišťování parametrů na malém elektromobilu, RIN 2010, ISBN 978-80-7043-866-4 str.46 [23]: Kleisner P. – Hybridní pohon E/E – ZČU v Plzni –SVOČ 2010. [29]: Kleisner P. – Calculation of fuel consumption – ZČU v Plzni –SVOČ 2012. [30]: Kleisner P. –Komplexní hodnocení energetické náročnosti komponent pro dopravní a manipulační techniku - práce ke státní doktorské zkoušce – ZČU v Plzni –Plzeň 2010.
130
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
II. Internetové zdroje Funkce veškerých internetových zdrojů byla kontrolována ke dni 10.8.2012 [a] – www.hybrid.cz [b] – www.elektromobily.org [c] – www.greenmotorsport.com [d] – www.wikipedia.org [e] – www.michelin.cz [f] – www.thunder-sky.com [g] – www.auto88.cz [h] – www.teslamotors.com [i] – www.yttrium-power.com [j] – www.auto.cz [k] – www.evworld.cz [l]–http://www.novinky.cz/ [m]– http://www.ekobydleni.eu [n]– http://www.imcdb.org Funkce použitých internetových odkazů byla kontrolována ke dni 1.7.2012
131
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
III. Přehled vědecké činnosti autora dle OBD Výpis z OBD byl generován 6.8.2012 ID publikace:
45967
Lit. Forma:
PATENT, UŽITNÝ VZOR, PRŮMYSLOVÝ VZOR
Rozšíření LiF:
Průmyslový vzor (F)
Titul:
Lišta přední kapoty elektromobilu
Autoři:
Josef Formánek (KP-169); Jan Kutlwašer (KP-169); Petr Kleisner (KP-169); Vladimír Friml (); Michal Návara (); Petr Krieglstein ();
Rok publikace:
2011
ID publikace:
43878974
Lit. Forma:
STAŤ VE SBORNÍKU
Rozšíření LiF:
Stať ve sborníku
Titul:
Zjišťování parametrů na malém elektromobilu
Autoři:
Josef Formánek (KP-169); Petr Kleisner (KP-169); Jan Kutlwašer (KP-169);
Rok publikace:
2010
ID publikace:
43879014
Lit. Forma:
STAŤ VE SBORNÍKU
Rozšíření LiF:
Stať ve sborníku
Titul:
Mechatronické systémy v manipulační technice
Autoři:
Josef Formánek (KP-169); Petr Kleisner (KP-169); Jan Kutlwašer (KP-169);
Rok publikace:
2010
ID publikace:
43879015
Lit. Forma:
STAŤ VE SBORNÍKU
Rozšíření LiF:
Stať ve sborníku
Titul:
Konstrukční uspořádání výrobních strojů a zařízení pro výukové účely
Autoři:
Josef Formánek (KP-169); Petr Kleisner (KP-169); Jan Kutlwašer (KP-169); Michal Švec (KP-169);
Rok publikace:
2010
ID publikace:
43883956
Lit. Forma:
POLOPROVOZ, TECHNOLOGIE, ODRŮDA, PLEMENO
Rozšíření LiF:
Technologie (Z)
132
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce Titul:
Návrh polovodičového (LED) osvětlení elektromobilu
Autoři:
Josef Formánek (KP-169); Petr Kleisner (KP-169); Jan Kutlwašer (KP-169);
Rok publikace:
2010
ID publikace:
43884016
Lit. Forma:
POLOPROVOZ, TECHNOLOGIE, ODRŮDA, PLEMENO
Rozšíření LiF:
Technologie (Z)
Titul:
Ergonomické uspořádání přístrojů elektromobilu
Autoři:
Josef Formánek (KP-169); Petr Kleisner (KP-169); Jan Kutlwašer (KP-169);
Rok publikace:
2010
ID publikace:
43884017
Lit. Forma:
POLOPROVOZ, TECHNOLOGIE, ODRŮDA, PLEMENO
Rozšíření LiF:
Technologie (Z)
Titul:
Optimalizace akumulátorového zdroje elektromobilu
Autoři:
Josef Formánek (KP-169); Petr Kleisner (KP-169); Jan Kutlwašer (KP-169);
Rok publikace:
2010
ID publikace:
43884018
Lit. Forma:
POLOPROVOZ, TECHNOLOGIE, ODRŮDA, PLEMENO
Rozšíření LiF:
Technologie (Z)
Titul:
Návrh hlavního pohonu elektromobilu
Autoři:
Josef Formánek (KP-169); Petr Kleisner (KP-169); Jan Kutlwašer (KP-169);
Rok publikace:
2010
ID publikace:
43884021
Lit. Forma:
POLOPROVOZ, TECHNOLOGIE, ODRŮDA, PLEMENO
Rozšíření LiF:
Technologie (Z)
Titul:
Návrh technologie řídícího systému elektromobilu
Autoři:
Josef Formánek (KP-169); Petr Kleisner (KP-169); Jan Kutlwašer (KP-169);
Rok publikace:
2010
ID publikace:
43884371
Lit. Forma:
PŘEDNÁŠKA, POSTER
133
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce Rozšíření LiF:
Přednáška, poster - ČR
Titul:
Elektromobil pro využití ve volném čase
Autoři:
Petr Daněk (KP-197); Josef Formánek (KP-169); Petr Kleisner (KP-169); Jan Kutlwašer (KP169); Josef Sklenička (KP-165);
Rok publikace:
2010
ID publikace:
43884587
Lit. Forma:
PROTOTYP, FUNKČNÍ VZOREK
Rozšíření LiF:
Funkční vzorek (G)
Titul:
Funkční laboratorní model elektrického vozidla
Autoři:
Josef Formánek (KP-169); Petr Kleisner (KP-169); Jan Kutlwašer (KP-169);
Rok publikace:
2010
ID publikace:
43886615
Lit. Forma:
PROTOTYP, FUNKČNÍ VZOREK
Rozšíření LiF:
Funkční vzorek (G)
Titul:
Elektronický diferenciál pro elektromobily
Autoři:
Josef Formánek (KP-169); Petr Kleisner (KP-169); Jan Kutlwašer (KP-169);
Rok publikace:
2010
ID publikace:
43886616
Lit. Forma:
PROTOTYP, FUNKČNÍ VZOREK
Rozšíření LiF:
Funkční vzorek (G)
Titul:
Výuková CNC řezačka polystyrenu
Autoři:
Josef Formánek (KP-169); Petr Kleisner (KP-169); Jan Kutlwašer (KP-169);
Rok publikace:
2010
ID publikace:
43886617
Lit. Forma:
PROTOTYP, FUNKČNÍ VZOREK
Rozšíření LiF:
Funkční vzorek (G)
Titul:
3D frézovací minicentrum
Autoři:
Josef Formánek (KP-169); Petr Kleisner (KP-169); Jan Kutlwašer (KP-169);
Rok publikace:
2010
ID publikace:
43886618
134
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce Lit. Forma:
PROTOTYP, FUNKČNÍ VZOREK
Rozšíření LiF:
Funkční vzorek (G)
Titul:
Polovodičový světlomet
Autoři:
Josef Formánek (KP-169); Petr Kleisner (KP-169); Jan Kutlwašer (KP-169);
Rok publikace:
2010
ID publikace:
43890209
Lit. Forma:
STAŤ VE SBORNÍKU
Rozšíření LiF:
Stať ve sborníku (O)
Titul:
Measurement of electric vehicle energy consumption
Autoři:
Josef Formánek (KP-169); Jan Kutlwašer (KP-169); Petr Kleisner (KP-169);
Rok publikace:
2011
ID publikace:
43890773
Lit. Forma:
PATENT, UŽITNÝ VZOR, PRŮMYSLOVÝ VZOR
Rozšíření LiF:
Průmyslový vzor (F)
Titul:
Větrný deflektor
Autoři:
Josef Formánek (KP-169); Jan Kutlwašer (KP-169); Petr Kleisner (KP-169); Vladimír Friml (); Michal Návara (); Petr Krieglstein ();
Rok publikace:
2011
ID publikace:
43895686
Lit. Forma:
PATENT, UŽITNÝ VZOR, PRŮMYSLOVÝ VZOR
Rozšíření LiF:
Průmyslový vzor (F)
Titul:
Přístrojová deska elektromobilu
Autoři:
Josef Formánek (KP-169); Jan Kutlwašer (KP-169); Petr Kleisner (KP-169); Vladimír Friml (); Michal Návara (); Petr Krieglstein ();
Rok publikace:
2011
ID publikace:
43895687
Lit. Forma:
PATENT, UŽITNÝ VZOR, PRŮMYSLOVÝ VZOR
Rozšíření LiF:
Průmyslový vzor (F)
Titul:
Držák hlavního odpojovače elektromobilu
Autoři:
Josef Formánek (KP-169); Jan Kutlwašer (KP-169); Petr Kleisner (KP-169); Vladimír Friml (); Michal Návara (); Petr Krieglstein ();
Rok publikace:
2011
135
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
ID publikace:
43895688
Lit. Forma:
PATENT, UŽITNÝ VZOR, PRŮMYSLOVÝ VZOR
Rozšíření LiF:
Průmyslový vzor (F)
Titul:
Držák palubních teploměrů ve vozidle
Autoři:
Josef Formánek (KP-169); Jan Kutlwašer (KP-169); Petr Kleisner (KP-169); Vladimír Friml (); Michal Návara (); Petr Krieglstein ();
Rok publikace:
2011
ID publikace:
43895917
Lit. Forma:
PATENT, UŽITNÝ VZOR, PRŮMYSLOVÝ VZOR
Rozšíření LiF:
Průmyslový vzor (F)
Titul:
Víčko dobíjecí zásuvky elektromobilu
Autoři:
Josef Formánek (KP-169); Jan Kutlwašer (KP-169); Petr Kleisner (KP-169); Vladimír Friml (); Michal Návara (); Petr Krieglstein ();
Rok publikace:
2011
ID publikace:
43896036
Lit. Forma:
PATENT, UŽITNÝ VZOR, PRŮMYSLOVÝ VZOR
Rozšíření LiF:
Průmyslový vzor (F)
Titul:
Držák měřících přístrojů
Autoři:
Josef Formánek (KP-169); Jan Kutlwašer (KP-169); Petr Kleisner (KP-169); Vladimír Friml (); Michal Návara (); Petr Krieglstein ();
Rok publikace:
2011
ID publikace:
43897617
Lit. Forma:
PATENT, UŽITNÝ VZOR, PRŮMYSLOVÝ VZOR
Rozšíření LiF:
Průmyslový vzor (F)
Titul:
Držák hlavního předního osvětlení elektromobilu
Autoři:
Josef Formánek (KP-169); Petr Kleisner (KP-169); Jan Kutlwašer (KP-169); Vladimír Friml (); Michal Návara (); Petr Krieglstein ();
Rok publikace:
2012
ID publikace:
43897680
Lit. Forma:
PATENT, UŽITNÝ VZOR, PRŮMYSLOVÝ VZOR
Rozšíření LiF:
Průmyslový vzor (F)
136
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce Titul:
Ukazatel proudového odběru pohonu elektromobilu
Autoři:
Josef Formánek (KP-169); Petr Kleisner (KP-169); Jan Kutlwašer (KP-169);
Rok publikace:
2012
ID publikace:
43897681
Lit. Forma:
PATENT, UŽITNÝ VZOR, PRŮMYSLOVÝ VZOR
Rozšíření LiF:
Průmyslový vzor (F)
Titul:
Ukazatel napětí akumulátorů elektromobilu
Autoři:
Josef Formánek (KP-169); Petr Kleisner (KP-169); Jan Kutlwašer (KP-169);
Rok publikace:
2012
ID publikace:
43897748
Lit. Forma:
PATENT, UŽITNÝ VZOR, PRŮMYSLOVÝ VZOR
Rozšíření LiF:
Průmyslový vzor (F)
Titul:
Značený ukazatel proudového zatížení pohonu elektromobilu
Autoři:
Josef Formánek (KP-169); Petr Kleisner (KP-169); Jan Kutlwašer (KP-169);
Rok publikace:
2012
ID publikace:
43897749
Lit. Forma:
PATENT, UŽITNÝ VZOR, PRŮMYSLOVÝ VZOR
Rozšíření LiF:
Průmyslový vzor (F)
Titul:
Pozitivní ukazatel proudového zatížení pohonu elektromobilu
Autoři:
Josef Formánek (KP-169); Petr Kleisner (KP-169); Jan Kutlwašer (KP-169);
Rok publikace:
2012
ID publikace:
43897750
Lit. Forma:
PATENT, UŽITNÝ VZOR, PRŮMYSLOVÝ VZOR
Rozšíření LiF:
Průmyslový vzor (F)
Titul:
Negativní ukazatel proudového zatížení pohonu elektromobilu
Autoři:
Josef Formánek (KP-169); Petr Kleisner (KP-169); Jan Kutlwašer (KP-169);
Rok publikace:
2012
ID publikace:
43897751
Lit. Forma:
PATENT, UŽITNÝ VZOR, PRŮMYSLOVÝ VZOR
137
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce Rozšíření LiF:
Průmyslový vzor (F)
Titul:
Značený ukazatel napětí akumulátoru v elektromobilu
Autoři:
Josef Formánek (KP-169); Petr Kleisner (KP-169); Jan Kutlwašer (KP-169);
Rok publikace:
2012
ID publikace:
43897752
Lit. Forma:
PATENT, UŽITNÝ VZOR, PRŮMYSLOVÝ VZOR
Rozšíření LiF:
Průmyslový vzor (F)
Titul:
Pozitivní ukazatel napětí akumulátoru v elektromobilu
Autoři:
Josef Formánek (KP-169); Petr Kleisner (KP-169); Jan Kutlwašer (KP-169);
Rok publikace:
2012
ID publikace:
43897753
Lit. Forma:
PATENT, UŽITNÝ VZOR, PRŮMYSLOVÝ VZOR
Rozšíření LiF:
Průmyslový vzor (F)
Titul:
Negativní ukazatel napětí akumulátoru v elektromobilu
Autoři:
Josef Formánek (KP-169); Petr Kleisner (KP-169); Jan Kutlwašer (KP-169);
Rok publikace:
2012
ID publikace:
43897756
Lit. Forma:
PATENT, UŽITNÝ VZOR, PRŮMYSLOVÝ VZOR
Rozšíření LiF:
Průmyslový vzor (F)
Titul:
Držák hlavního předního osvětlení elektromobilu
Autoři:
Josef Formánek (KP-169); Petr Kleisner (KP-169); Jan Kutlwašer (KP-169); Vladimír Friml (); Michal Návara (); Petr Krieglstein ();
Rok publikace:
2012
ID publikace:
43898093
Lit. Forma:
ČLÁNEK
Titul:
An Electric Vehicle Calculation Model Validation by Measuring
Autoři:
Jan Kutlwašer (KP-169); Josef Formánek (KP-169); Petr Kleisner (KP-169);
Rok publikace:
2011
138
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
i
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Seznam příloh Příloha 1 - Cyklus NEDC ........................................................................................................ ii Příloha 2 - Peugeot 106 1.0 měřený úsek "České Budějovice"............................................... vi Příloha 3 - Peugeot 106 1.0 měřený úsek "Domažlice" ......................................................... xi Příloha 4 - vzorový výpočet spotřeby automobilu z vypočtených vnějších charakteristik ..... xvi Příloha5 - Zjednodušené schéma trakčního měniče vozidla EHR 10 ...................................xviii Příloha 6 - Výpočet parametrů elektromobilu ve stylu Hot Rod .......................................... xix Příloha 7 - Výpočtová tabulka parametrů vozidla EHR 10 .................................................. xxii Příloha 8 - Určení výpočtové hmotnosti vozidla EHR 10.....................................................xxiii Příloha 9 - Otisk výpočtového modelu pro výpočet energetické náročnosti provozu vozidla EHR10 ............................................................................................................................. xxvi Příloha 10 - Hmotnost vybraných komponentů vozidla osazeného E/E ............................. xxvii Příloha 11 - výsledná část výpočtu křivek spalovacího motoru s prodlouženou expanzí...... xxix Příloha 12 - Písemné svolení využití dipl práce panem prof. Píštěkem ................................ xxx Příloha 13 - Písemné svolení využití dipl práce panem Ing. Fišerem ................................... xxxi Příloha 14 - Tabulka vypočtených parametrů v módu spalovacího motoru ....................... xxxii Příloha 15 - Tabulka vypočtených parametrů v módu elektromobilu ............................... xxxiii Příloha 16 - Tabulka vypočtených parametrů v módu paralelního hybridu ....................... xxxiv Příloha 17 – Vztahová základna výpočtů parametrů a spotřeby ........................................ xxxv Příloha 18 – SW a použité přístroje vytvoření disertační práce ....................................... xxxix
i
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Příloha 1 - Cyklus NEDC poznámka: parametrizace cyklu NEDC je převzata z knihy Jiří First a kol: "Zkoušení automobilů a motocyklů"
Městská část cyklu NEDC číslo činnosti
činnost
fá ze
akcelerace (m/s^2)
1
volnoběh
1
2
akcelerace
2
3
stálá rychlost
3
11
11
11
převodový stupeň použitý v případě manuální převodovky 6s PM + 5sK1
0-15
4
4
15
1
15
9
8
23
1
4
zpomalování
4
-1
15-10
2
5
25
1
5
4
6
zpomalování spojka vypnuta volnoběh
-1
10-0
3
5
28
K1
21
21
49
16s PM+5sK1
7
akcelerace
6
8
přeřazení
6
5
12
54
1
2
12
56
9
akcelerace
6
15-32
5
12
61
2
10
stálá rychlost
7
32
24
24
85
2
11
zpomalování
8
12
8
13
zpomalování spojka vypnuta volnoběh
-1
32-10
8
11
93
2
-1
10-0
3
11
96
K2
21
21
117
16s PM+5sK1
14
akcelerace
10
5
26
122
1
15
přeřazení
10
16
akcelerace
10
2
26
124
9
26
133
17
přeřazení
10
2
26
135
18
akcelerace
10
19
stálá rychlost
11
20
zpomalování
12
21
stálá rychlost
13
22
přeřazení
14
23
zpomalování
14
-1
24
zpomalování
14
-1
25
volnoběh
15
1
rychlost (km/h)
5 0,8
0,9
0-15
9 0,8
0-15
0,6
15-35
trvání trvání činnosti (s) fáze (s)
kumulativn í čas (s)
2
0,5
35-50
8
26
143
3
50
12
12
155
3
-1
50-35
8
8
163
3
35
13
13
176
3
2
12
178
32-10
7
12
185
2
10-0
3
12
188
K1
7
7
195
7 s PM
ii
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Mimoměstská část cyklu NEDC číslo činnosti
činnost
fáze
1 volnoběh
1
2 akcelerace
2
3 přeřazení
2
4 akcelerace
2
5 přeřazení
2
6 akcelerace
2
7 přeřazení
2
8 akcelerace
2
9 stálá rychlost 10 zpomalován í 11 stálá rychlost 12 akcelerace
3
13 stálá rychlost 14 akcelerace
7
15 stálá rychlost 16 akcelerace
9
17 stálá rychlost 18 zpomalován í 19 zpomalován í 20 zpomalován í spojka vypnuta 21 volnoběh
4
akcelerace (m/s^2)
0,83
8
10
0,24
0,28
11
převodový stupeň použitý v případě manuální převodovky K1
20
41
25
2
41
27
9
41
36
2
41
38
8
41
46
2
41
48
50-70
13
41
61
4
70
50
50
111
5
70-50
8
8
119
4s5+4s4
50
69
69
188
4
50-70
13
13
201
4
70
50
50
201
5
70-100
35
35
286
5
100
30
30
316
5
100-120
20
20
336
5
120
10
20
346
5
35-50
0,43
kumulativní čas (s)
20
0,52
-0,69
trvání fáze (s)
5
15-35
0,43
trvání činnosti (s) 20
0-15
0,62
5 6
rychlost (km/h)
1
2
3
12
-0,69
120-80
16
34
362
5
12
-1,04
80-50
8
34
370
5
12
-1,39
50-0
10
34
380
Kn
20
20
400
PM
13
poznámka: K - spojka vypnuta; PM - zařazen neutrál
iii
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Charakteristika celého cyklu NEDC: - Městská část cyklu NEDC je absolvován celkem 4x za sebou: •
průměrná rychlost 19 km/h
•
efektivní doba jednoho oběhu 195 s
•
teoretická vzdálenost 1 běhu 1013 m
•
doba provozu na volnoběh 35,4 %
•
doba řazení 4,1 %
•
doba zrychlování 18,5 %
•
konstantní rychlost 29,2 %
•
zpomalování 12,8 %
- Mimoměstská část cyklu NEDC je absolvován 1x: • průměrná rychlost 62,6 km/h • efektivní doba trvání 400 s • teoretická vzdálenost 6955 m • provoz na volnoběh 10 % • řazení 1,5 % • zrychlování 25,8 % • konstantní rychlost 52,2 % • zpomalování 10,5 %
iv
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Grafické znázornění částí cyklu NEDC Městský cyklus (ECE 15)77
Mimoměstský cyklus (EUDC) 1
Kombinovaný cyklus (NEDC)78
77
Dieselnet.com, ECE EUDC, http://www.dieselnet.com/standards/cycles/ece_eudc.php, EEC Directive 90/C81/01 Renewable energy, now, Niels Thijseen, Brandstfverbruk en auto's, http://www.renewable-energynow.org/2009/07/brandstofverbruik-en-autos/,renewable-energy-now.org 78
v
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Příloha 2 - Peugeot 106 1.0 měřený úsek "České Budějovice" Generovaný protokol z programu uTrack
vi
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
vii
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
viii
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
ix
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
x
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Příloha 3 - Peugeot 106 1.0 měřený úsek "Domažlice" Generovaný protokol z programu uTrack
xi
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
xii
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
xiii
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
xiv
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
xv
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Příloha 4 - vzorový výpočet spotřeby automobilu z vypočtených vnějších charakteristik Příloha 4 – Výpočet spotřeby vozidla Peugeot 106 1.0 Ustálený stav Stálá rychlost: 15 km/h Rychlostní stupeň: I Otáčky motoru: 2128 1/min H=I
=
A0 ∙ 410 ∙ & 0,1 ∙ 105 ∙ B948 ∙ 10 5 C ∙ 2128 = = 0,02B+E/FC % ∙ D0 ∙ 2 ∙ 60 287 ∙ 293,15 ∙ 120 D2 = D0 ∙ / :
0
= 293,15 ∙ 9,40,6
0
= 718,36BvC
D3 = D2 ∙ Ψ = 718,36 ∙ 4 = 2873,44BvC
@Hxy = Gř
=
H=I
% 287 = = 717,5B{/+E ∙ vC z − 1 1,4 − 1
∙ @H H= ∙ BD3 − D2 C = 0,02 ∙ 717,5 ∙ B2873,44 − 718,36C = 34791,07BLC G#R
=
!G#R =
Gř
S
G#R
|
34791,07 = 0,00074B+E/FC 46,4 ∙ 105
=
=
0,00074 = 0,00095BU/FC 0,75
Vysvětlivky: p1 - atmosférický tlak – 101325 Pa V1 – objem jednoho válce na pozici dolní úvrati - 948/4 ccm r - plynová konstanta - J/kg.K T1 – teplota nasávané směsi - K T2 – teplota směsi na konci adiabatické komprese – K T3 – teplota hoření směsi - K ε – kompresní poměr motoru – 9,4 κ - Poissonova konstanta H=I
– hmotnostní průtok vzduchu – kg/s
Ψ – stupeň izochorického zvýšení tlaku motoru - 4 xvi
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce @Hxy - izochorická měrná tepelná kapacita vzduchu - J/kg.K Gř
- přivedené teplo – W
G#R
- hmotnostní průtok paliva – kg/s
!G#R - objemový průtok paliva – ml/s ρ – měrná hmotnost – kg/m3
Dynamická změna spotřeby. Výpočet je počítán jako algoritmus s časovým krokem t=1 s, kdy dochází k plynulému pohybu po křivce výkonu, ze které jsou vyhodnoceny současné otáčky a dopočítána aktuální spotřeba. Rychlost pro každý časový krok je definována jako v (m/s)= vt-1(m/s) +a(m/s2).
xvii
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Příloha5 - Zjednodušené schéma trakčního měniče vozidla EHR 10
xviii
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Příloha 6 - Výpočet parametrů elektromobilu ve stylu Hot Rod
xix
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
xx
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
xxi
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Příloha 7 - Výpočtová tabulka parametrů vozidla EHR 10
xxii
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Příloha 8 - Určení výpočtové hmotnosti vozidla EHR 10 Karoserie Karoserie, pomocným rám, dveře, maska
140kg
Kapoty
12,2kg
Plechy pod kapoty
4,4kg
Zadní pomocný rám
8,6kg
přední blatníky
1,8kg
lak
5kg
Zadní náprava Nápravnice
16,6kg
Horní zadní ramena s klouby
6,4kg
Spodní zadní ramena s klouby a silentbloky
8,7kg
Pružící jednotky zadní s pružinami
9,8kg
Držáky pružících jednotek
0,8kg
Stabilizátor
3,2kg
Nosiče zadních kol
5,3kg
Náboje kol
3,4kg
Hřídele kol
6,3kg
Ložiska
1,2kg
Držáky ložisek
2,1kg
Řídící tyč s klouby
2,3kg
Brzdové kotouče zadní nevětrané
6,6kg
Brzdiče zadní
5,4kg
Přední náprava Nosiče předních kol
5,6kg
Přední ložiskové jednotky
8,2kg
Ramena přední spodní
5kg
Ramena přední horní krátká
1,6kg
Ramena přední horní dlouhá
1,7kg
Kulové klouby spodních ramen
0,8kg
Silentbloky spodních ramen
0,8kg
Kulové klouby horních ramen
1,3kg
Silentbloky horních ramen
1,4kg
xxiii
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce Řízení s kulovými klouby
5,9kg
Sloupek řízení s prvním dílem hřídele
3,3kg
Hřídel řízení druhý díl
1,2kg
Držáky sloupku řízení
1,0kg
Přední brzdiče
6,2kg
Přední větrané kotouče
7,4kg
Hlavní brzdový válec + pedálová skupina
3,5kg
Kola Lité ráfky
48kg
Penumatiky
32kg
Interiér skořepinová sedladla
13,6kg
mechanika sedadel
2,5kg
Bezpečnostní pásy
6kg
volant
0,9kg
ruční brzda
2kg
polstrování ostatní
15kg
přístroje, ovládací prvky
2,8kg
Elektroinstalace světelná elektroinstalace
10kg
držáky baterií
25kg
autobaterie12V
17kg
baterie
318kg
pohon
72kg
výkonové svazky
18kg
Příslušenství vnější zrcátka
0,6kg
nárazníky
0,4kg
deflektory
1,3kg
Převodovky převodovka
29kg
xxiv
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce ramena
3,6kg
Celkový součet hmotnosti
922.7 kg
Rozložení hmotnosti EHR 10 Přední náprava 472,7 kg - 51,2% Zadní náprava 450 kg – 48,8%
xxv
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Příloha 9 - Otisk výpočtového modelu pro výpočet energetické náročnosti provozu vozidla EHR10
xxvi
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Příloha 10 - Hmotnost vybraných komponentů vozidla osazeného E/E
počet ks
Název dílu Karoserie skelet přední kapota páté dveře dveře přední blatníky lak
hmotnost za ks hmotnost celek 1 1 1 4 2
200 6 5 10 5
200 6 8 40 10 5
Zadní náprava
Nápravnice Spodní zadní ramena s klouby a silentbloky Pružící jednotky zadní s pružinami Držáky pružících jednotek Stabilizátor Nosiče zadních kol Náboje kol Ložiska ložiskové domky hřídele kol Brzdové kotouče zadní nevětrané Brzdiče zadní
15 8 9 0,8 3 5 3 1,5 2 6 6 5
2 2 2 1 2 2 2 2 2
4 4,5 0,4 3 2,5 1,5 0,75 1 3
Nosiče předních kol Přední ložiskové jednotky Ramena přední spodní Kulové klouby spodních ramen Silentbloky spodních ramen Řízení s kulovými klouby mechanismus řízení pružící jednotky hřídele kol Přední brzdiče Přední větrané kotouče
2 2 2 2 2 1 1 2 2 2 2
3 4 2,5 0,4 0,7 6 5 4,5 3,5 2,5 3
6 8 5 0,8 1,4 6 5 9 7 5 6
brzdový systém
1
6
6
4
10
40
Přední náprava
Kola
Lité ráfky xxvii
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce Pneumatiky
4
8
32
4 2 4
8
32 10 12 2,5 2 30
Interiér sedadla
mechanika sedadel Bezpečnostní pásy volant ruční brzda polstrování ostatní
3
Elektroinstalace
světelná elektroinstalace držáky baterií autobaterie12V baterie pohon greenmotorsport výkonové svazky osvěřlení vozidla fotovoltaický panel s příslušensvtím generátor
2
30
1 1
10 30
10 10 17 250 60 30 10 10 30
2 2
0,5 4
1 10
převodovka
3
25
75
Motor s příslušenstvím motor s příslušenstvím
1
80
80
Prosklení vozidla přední sklo zadní sklo boční skla
1 1 4
7 5 2,5
7 5 10
Příslušenství vnější
zrcátka nárazníky Převodovky
xxviii
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Příloha 11 - výsledná část výpočtu křivek spalovacího motoru s prodlouženou expanzí
xxix
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Příloha 12 - Písemné svolení využití dipl práce panem prof. Píštěkem Vážený pane profesore. Dovolte abych se na Vás obrátil s prosbou. Rád bych Vás požádal o svolení k citování Vámi vedené diplomové práce pana Bc. Stanislava Tokaře - Mechanismus jednoválcového zážehového motoru s prodlouženou expanzí. Jelikož ve své disertační práci řeším hybridní pohon, který svými parametry si přímo říká o využití motoru s Atkinsonovým cyklem, rád bych použil parametry motoru, které navrhl Váš diplomant (zdvihy pístu, rychlosti atd) s tím, že motor budu nadále upravovat na dvouválcové provedení. Samozřejmě všechny zdroje budou řádně uvedeny dle příslušné metodiky. S pozdravem Ing.Petr Kleisner Katedra Konstruování Strojů Fakulta strojní ZČU v Plzni Dobrý den, využití zmíněné diplomové práce pro Vaše účely samozřejmě nic nebrání, přeji úspěšné řešení zajímavého tématu a zdravím. V. Píštěk Prof. Dr.sc.techn. Vaclav PISTEK Brno University of Technology Institute of Automotive Engineering Technicka 2 616 69 Brno Czech Republic
xxx
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Příloha 13 - Písemné svolení využití dipl práce panem Ing. Fišerem Dobrý den, na Strojní fakultě ZČU v Plzni dokončuji disertační práce na rámcové téma "Energetické hodnocení komponent v dopravní technice". Předmětem mé práce je systémový návrh hybridního pohonu automobilu s důrazem na hodnocení spotřeby. Rád bych Vás tedy poprosil o svolení k citování některých závěrů diplomové práce STUDIE PASIVNÍHO CHLAZENÍ KABINY OSOBNÍHO AUTOMOBILU, kterou pod Vaším vedením vypracoval Bc. PETR VIŠČOR. S pozdravem Ing. Petr Kleisner Dobrý den,
děkuji za dotaz. Samozřejmě práci citovat můžete nevidím v tom jediný problém. Mohu se jen zeptat, které části vás nejvíce zaujali a které závěry vám přijdou důležité.
Díky za odpověď
s pozdravem
Jan Fiser, Eng. Ph.D. Brno University of Technology Faculty of Mechanical Engineering Department of Thermodynamics and Environmental Engineering - Energy Institute Technická 2896/2 619 69 Brno, Czech Republic
xxxi
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Příloha 14 - Tabulka vypočtených parametrů v módu spalovacího motoru
xxxii
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Příloha 15 - Tabulka vypočtených parametrů v módu elektromobilu
xxxiii
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Příloha 16 - Tabulka vypočtených parametrů v módu paralelního hybridu
xxxiv
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Příloha 17 – Vztahová základna výpočtů parametrů a spotřeby Výpočet výkonu vozidla při daných otáčkách
P = M t ⋅ ω = M t ⋅ 2π ⋅ n [W] Síla na kolech Fk =
M t ⋅ i0 ⋅ ik ⋅ η [N] r
Výpočet rychlosti
v=
22,6 ⋅ r ⋅ n [m/s] i0 ⋅ i k
Odpor vzduchu
Ov = 0,05 ⋅c x ⋅S ⋅ v 2 [N] Výpočet měrné hnací síly
p=
Fk − Ov m p ⋅ g + 180 ⋅ g
[N/N]
Poměry výpočtu součinitele rotačních hmot
i I − imax δ KI − δ K max = i I − i II δ I − δ II Výpočet zrychlení a = g⋅
p− f
δ
[m/s2]
Pružnost motoru Momentová: eM =
Otáčková:
en =
MM −MP MP
nP nM
Celková pružnost motoru : eC = eM ⋅ en
xxxv
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Výpočet měrné hnací síly pro danou rychlost (50 km/h) p x 50 = p pod 50 −
(p
pod 50
− p nad 50 ) ⋅ (50 − v pod 50 ) v nad 50 − v pod 50
[N]
Určení maximální stoupavosti vozidla
smax = p1 max − of p max Výpočet stálého převodu hnací nápravy
i 0 = 22,62 ⋅
nP vmax
Vztahová základna pro výpočet spotřeby elektrické energie elektromobilu Tíhová síla G = m ⋅ g [N]
Úhel sklonu vozovky s s o [] = tgα ⇒ α = arctg 100 100
Valivý odpor
O f = G ⋅ f ⋅ cosα [N] Odpor sklonu
Os = G ⋅ sin α [N] Odpor vzduchu
Ov = 0,05 ⋅c x ⋅S ⋅ v 2 [N] Odpor ve zrychlení il =
∙ p ∙ BFaqč %aspč&í@ℎ ℎ asC*P.
Hnací síla na kole
Fk = ∑ Oi = O f + OV + Os + O z [N] i
xxxvi
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Výkon na hnacích kolech
Pk = Fk ⋅ v [W]
Požadovaný výkon motoru
Psm =
Pk
η pu
[W]
Spotřeba el. Energie
Psp = U ⋅ I ⋅ (1+ el.ztráty)[W / s]
Transformační poměr: c2 d0 = c0 d2 Kompresní poměr: /0 =
10 12
Teoretická účinnost motoru: 78 = 1 −
1
/2: 0
Hmotnostní průtok vzduchu: ;
=
A0 ∙ B3 ∙ 1; C & *+E/F. ∙ % ∙ D0 2 ∙ 60
Tepelný průtok: Gř
=
;
∙ @HH=IJ
K
∙ BD3 − D2 C +
;
∙ @GH=IJ
K
Teoretický výkon při maximálních otáčkách: M = 78 ∙
Gř *L.
xxxvii
∙ BD6 − D3 C*L.
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Výpočet teoretické spotřeby paliva: G#R
=
Gř
S
*+E/ℎ.
Výpočet příkonu elektromotorů: M=
}~ ∙H
35((
0
∙ *LF.
xxxviii
Ing. Petr Kleisner
Disertační práce
Příloha 18 – SW a použité přístroje vytvoření disertační práce Použitý sw • • • • • • •
Textový editor MS Word 2007 Textový editor PS Pad Textový editor Open Office org. Writer 3.3 Tabulkový procesor MS Excel 2007 Moje trasy Google 2009 Google Sketch Up utrack. crempa. net
Použité měřící přístroje • • • • • •
Navigace TomTom sn J45308102953 Samsung GT-SS830 - GINGERBREAD.XWKPY Multimetr VOLTCRAFT AT-200 08123841 Multimetr VOLTCRAFT AT-200 08123854 SCOOPmeter UT81 A Meteostanice WS 1600
xxxix
